分會(huì)

第二十六分會(huì)：有機(jī)光伏材料與器件

摘要

分子摻雜作為一種有效的有機(jī)半導(dǎo)體材料電學(xué)性能調(diào)控手段，在多元體系器件中的應(yīng)用面臨著新的挑戰(zhàn)。以聚合物太陽能電池為例，電子給體和受體分別需要P型和N型摻雜優(yōu)化；摻雜劑極性錯(cuò)配反而會(huì)對器件性能產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，深刻理解分子摻雜劑在體相異質(zhì)結(jié)中分布的驅(qū)動(dòng)力，從而提出有效的分子摻雜劑分布調(diào)控策略是提高摻雜效率的重要途徑。在選擇了PCE10/N2200與PBDB-T/N2200兩種全聚合物體系作為研究對象，并引入N-DMBI作為N型摻雜劑之后，我們首先排除了摻雜劑與組元材料在溶液中形成電荷傳輸復(fù)合物的可能，因此摻雜劑分布是在成膜過程中由分子間弱相互作用力共同決定的。隨后我們計(jì)算了組元材料與摻雜劑之間的Hansen總?cè)芙舛葏?shù)值，并用其差值估計(jì)組元材料與摻雜劑之間的相容性，光伏性能測試表明當(dāng)摻雜劑與給體相容性差時(shí)，器件光伏性能提升明顯。摻雜形貌表征結(jié)果表明摻雜劑會(huì)降低薄膜結(jié)晶，因此摻雜對光伏性能的提升來源于N型摻雜作用而非形貌優(yōu)化。接下來我們繪制了三元相圖來綜合考量熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)因素對摻雜劑分布的影響，通過與實(shí)際薄膜形貌進(jìn)行比對，我們發(fā)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)成膜演化在實(shí)驗(yàn)中并不改變熱力學(xué)相容性所做出的分析預(yù)測。最后，我們制備了平面雙層異質(zhì)結(jié)器件，從而可以準(zhǔn)確控制N-DMBI在給、受體材料中的分布。我們發(fā)現(xiàn)在不同膜厚條件下，當(dāng)N-DMBI置于N2200受體層中均能提高器件的短路電流密度。我們的工作說明了摻雜劑與給、受體的相容性匹配是實(shí)現(xiàn)有效摻雜的重要前提，從而大幅降低了摻雜光伏的試錯(cuò)工作量。

關(guān)鍵詞

分子摻雜；N型摻雜；聚合物太陽能電池；摻雜形貌；三元相圖

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