非富勒烯有机太阳能电池能级排布研究
太阳能电池是一种可以吸收太阳光转化成电能的功能器件,因而受到广泛的关注及研究,在传统能源储量日益减少的背景下,太阳能电池有望在将来可以有效的缓解能源危机。
近十几年来,有机太阳能电池因其低成本,柔性,可卷对卷大面积生产以及材料容易合成的优点一直受到广大科研工作者的青睐。
尤其是近几年,一种小分子受体,俗称非富勒烯受体,搭配共轭聚合物给体构成的太阳能电池,器件效率提升地十分迅速,目前单节太阳能电池的效率已经达到13.1%,比富勒烯受体搭配聚合物给体的最好的效率值还要高。
并且,由于非富勒烯受体的分子能级可以调整,未来有望继续刷新器件的效率值。
界面处能级排布对器件性能起着至关重要的作用,因为有很多研究都表明,给体的最高占据分子轨道（HOMO）和受体的最低未占据分子轨道（LUMO）之间的差值(E<sub>gap</sub>)决定了开路电压(V<sub>oc</sub>)的上限值。
但是,我们必须意识到,传统的能级排布忽略了界面能的存在,而界面能的存在往往会对界面处能级排布产生影响,所以,准确地表征界面处的能级排布对于理解器件工作中的物理过程是必不可缺的。
在本论文的研究中,我们选取了几种常见的活性层材料,包括常见的三种聚合物给体:PBDB-T,PTB7,P3HT。
并且选择了非富勒烯受体ITIC与传统的富勒烯受体PCBM进行对比,搭配这三种聚合物制备了平面型器件,并且制备了体异质结器件对比其开路电压。
由于体异质结太阳能电池中无序的能量会导致开路电压(V<sub>oc</sub>)的减小,所以,我们选取平面型器件的V<sub>oc</sub>值作为参考,用以研究开路电压与能级排布之间的联系。
对于这几在种活性层材料,我们首先应该掌握它
们分立的能级排布,结合紫外光电子能谱（UPS）和紫外光吸收谱法我们可以实现这一目标。
接着我们采用一种正交溶剂的方法制备出给/受体的界面,分别将给体材料和受体材料溶于邻二氯苯和二氯甲烷中,由于相似相溶原理,邻二氯苯和二氯甲烷不会相互溶解,所以,通过旋涂的上层界面不会破坏下层界面的形貌,进而可以得到良好的平面型界面。
借助扫描开尔文探针显微镜（SKPM）得到活性层材料接触后界面处的能级排布,由此得到准确的能级带隙值E<sub>gap</sub>,与得到的平面异质结电池的开路电压进行对比,得到两者的一个实际关系值,即
qV<sub>oc</sub>=E<sub>gap</sub>-0.52（±0.05）eV,这个关系式的获得有助于我们更深入地理解器件工作过程中的机制,从而为器件效率的提升提供方向。