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摘要
能源是人类赖以生存与发展的根本,经济发展与人口增长都离不开能源的消耗。光伏发电,作为一种基于光电效应的清洁能源技术,是众多绿色、可再生能源中的佼佼者。有机太阳电池是光伏发电领域的一个新兴方向,具有低成本、可溶液加工、质量轻、柔性等许多传统无机半导体不具备的优势,目前已经成为最有希望的下一代太阳电池之一,得到了广泛的关注。在众多科研人员的努力下,通过设计新型光电有机材料与器件优化,使有机太阳能电池得到了飞速的发展,最高能量转化效率已经达到15.7%。本论文的主要创新之处是采用不同的器件优化方式,在获得高效有机太阳能电池的基础上,运用电致发光,光致发光,载流子动力学等研究手段,研究不同优化工艺手段对有机太阳能电池激子拆分,传输与收集效率的影响;定量计算载流子复合率与抽取率的比值研究器件FF提高的原因;定量计算器件的辐射复合能量损失与非辐射复合能量损失。最终揭示有机太阳能电池各项参数受不同体系与优化方法影响的根本原因。溶剂退火,热退火,混合溶剂加工等是有机太阳能常用优化手段,器件优化后,填充因子一般能够大幅度提高,以往很多文献都是从形貌角度进行分析解释,深入的机理机制研究比较少。本文第三、第四章在获得能量转化效率为10.2%的有机小分子太阳能电池的基础上（FF:75.4%）,利用光致发光,载流子动力学等测试手段深入的研究器件FF差异的来源。光致发光PL光谱表明,基于混合溶剂优化后的器件,荧光淬灭效率更高,具有更高的电荷转移效率与激子拆分效率。通过载流子动力学测试,计算得到载流子复合率与抽取率的比值,基于CF、CB与CF/CB三种溶剂的器件值分别为2.5×10-2,1.9×10-2与8.6×10-3,与FF越高θ值越低相对应。因此,在器件孪生复合可以忽略的前提下,器件非孪生复合效率与载流子抽取效率之间的竞争是影响器件FF的主要原因。非富勒烯有机太阳能电池凭借合成容易,强光学吸收与低的能量损失等优点,成为有机太阳能电池的研究热点。相对二元电池,三元有机太阳能电池能够拓宽活性层吸收,是获得高性能有机太阳能电池非常有效的途径。本文第五章,研究与制备了基于J52:i-IEICO-4F:INPIC-4F为活性层,能量转化效率高达14.14%的三元非富勒烯有机太阳能电池(VOC:0.83 V,JSC:24.1 mA cm-2,FF:71.0%)。相对J52:INPIC-4F两元非富勒烯太阳能电池,其开路电压,短路电流,填充因子都同时提高,这在三元太阳能电池中比较少见。通过高增益EQE与EL定量测试,得到电压提高的主要原因为加入第三元i-IEICO-4F后,降低了器件辐射复合能量损失（0.31 eV）与非辐射复合能量损失（0.30 eV）,总的能量损失也仅仅为0.61eV,为报道的低能量损失体系之一。UPS测试得到J52,i-IEICO-4F,INPIC-4F三个材料具有级联的能级结构。通过研究掺杂不同比例INPIC-4F的i-IEICO-4F:INPIC-4F共混薄膜的PL,随着INPIC-4F掺杂比例的增加,i-IEICO-4F:INPIC-4F共混薄膜的PL强度明显逐渐降低。因此,i-IEICO-4F与INPIC-4F之间的主要工作机理为电荷转移。三元体系相对二元体系,具有更低的能量损失,可以为激子解离、载流子的传输与收集提供多个有效途径,从而提高有机太阳能电池的开路电压,短路电流与填充因子。
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