【摘要】：氧化銦錫(ITO)在有機(jī)光電器件中被廣泛地用作透明窗口電極,由于它的功函數(shù)大約為4.7e V,ITO在傳統(tǒng)的器件中只適合作為陽(yáng)極,陰極則需要用到比較活潑的低功函數(shù)金屬,對(duì)器件的穩(wěn)定性和效率極為不利。為了提高器件的穩(wěn)定性,研究人員開發(fā)了倒裝結(jié)構(gòu)的器件,然而在倒裝結(jié)構(gòu)中,ITO與活性層不能直接匹配,因此需要對(duì)ITO進(jìn)行界面修飾降低其功函數(shù)。在調(diào)控了ITO透明陰極的功函數(shù)之后,電子傳輸層也存在能級(jí)匹配的問(wèn)題,因此,對(duì)常用于陰極緩沖和電子傳輸?shù)慕饘傺趸锒趸?TiO_2)進(jìn)行修飾十分必要。然而,研究人員發(fā)現(xiàn)溶膠-凝膠制備的TiO_2存在著不同的缺陷,直接影響著聚合物/TiO_2界面以及TiO_2薄膜內(nèi)部的電荷解離、傳輸和復(fù)合,這也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn),僅僅對(duì)TiO_2表面進(jìn)行能級(jí)調(diào)控還不足以解決這些問(wèn)題,需要對(duì)TiO_2表面進(jìn)行更多的修飾,因此,本文對(duì)ITO和TiO_2進(jìn)行了一系列的界面修飾工作。采用自然生物分子材料氨基酸和多肽修飾ITO,使得ITO的功函數(shù)非常明顯地降低,修飾后ITO的功函數(shù)與絕大部分有機(jī)材料的最低非電子占有軌道(LUMO)電子能級(jí)匹配,可以廣泛地用作器件的陰極。在有機(jī)光電子器件的應(yīng)用中,經(jīng)過(guò)多肽修飾后的ITO作為陰極,有機(jī)太陽(yáng)能電池(OSCs)器件的能量轉(zhuǎn)換效率(PCEs)從2.12%大幅升高到8.13%。相比于采用活潑金屬作為陰極的傳統(tǒng)正裝器件,采用多肽修飾的ITO作為陰極的倒裝器件在空氣中顯示出更加優(yōu)越的器件穩(wěn)定性。在類似結(jié)構(gòu)的器件中,自組裝氨基酸生物分子修飾ITO表面同樣獲得了很低的功函數(shù),并獲得了高性能的有機(jī)光電探測(cè)器(OPDs)。采用苯并二噻吩-吡咯并吡咯二酮共聚物(PBDTT-DPP)和C70衍生物(PC71BM)的混合物作為活性層的OPDs,在775nm波長(zhǎng)處展現(xiàn)的最高比探測(cè)率為5.38×1013jones,而且在350到820nm的可見到近紅外的寬幅波長(zhǎng)范圍內(nèi),比探測(cè)率均在2.61×1013jones以上,器件在擁有高比探測(cè)率的同時(shí),也獲得了上升時(shí)間為3.9μs的快速響應(yīng)速度。該工作為制備較低功函數(shù)的透明陰極和制備高性能的有機(jī)太陽(yáng)能電池和有機(jī)光電探測(cè)器提供了一種綠色、環(huán)保、工藝過(guò)程簡(jiǎn)單的方法。采用氨基酸修飾金屬氧化物TiO_2,獲得了高性能的OPDs。該OPDs從紫外光到近紅外光(350到900nm)的區(qū)域有一個(gè)寬的響應(yīng),并且在775nm波長(zhǎng)處和-0.1V電壓下展現(xiàn)了2.69×1013jones的最大比探測(cè)率,快的響應(yīng)速度,寬的線性動(dòng)態(tài)范圍(LDR)和長(zhǎng)的時(shí)間穩(wěn)定性。研究了等電點(diǎn)差異大和等電點(diǎn)相近而極性不同的兩組氨基酸分別對(duì)TiO_2進(jìn)行修飾獲得的器件效果,研究結(jié)果表明:兩組氨基酸都與TiO_2發(fā)生了良好的化學(xué)反應(yīng),當(dāng)?shù)入婞c(diǎn)差異大時(shí),含有中性氨基酸的器件展現(xiàn)了最佳的性能;當(dāng)?shù)入婞c(diǎn)相近而極性不同時(shí),含有非極性氨基酸的器件比含有極性氨基酸的器件有著更好的性能。該工作為電子傳輸層的修飾提供了一種綠色、環(huán)保的方法,同時(shí),也為在電子器件應(yīng)用中氨基酸的選擇提供了依據(jù)。針對(duì)聚合物/TiO_2界面的電荷解離、傳輸和復(fù)合問(wèn)題,采用了TiO_2納米紡絲對(duì)TiO_2溶膠-凝膠薄膜進(jìn)行了修飾,因?yàn)門iO_2納米紡絲滲入活性層與活性層有著更緊密的接觸以及其自身優(yōu)越的電子傳輸能力,使得界面的電荷解離和傳輸能力增強(qiáng),從而獲得了高性能的OPDs器件。此外,研究了不同有序度TiO_2納米紡絲修飾TiO_2薄膜制備器件的效果,結(jié)果表明:有著單方向?qū)R納米紡絲的器件展現(xiàn)出了最高的比探測(cè)率和最快的響應(yīng)速度。該工作使得簡(jiǎn)單、可控的方法制備的納米紡絲應(yīng)用到了高性能的OPDs上。針對(duì)TiO_2薄膜層內(nèi)部的電荷解離、傳輸和復(fù)合問(wèn)題,嵌入富勒烯(C_(60))到TiO_2中作為電子傳輸層制備了雜化太陽(yáng)能電池和雜化光電探測(cè)器,器件性能大幅提升。采用熒光光譜和瞬態(tài)熒光光譜,證實(shí)了聚(3-己基噻吩)P3HT的激子通過(guò)F?ster共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)轉(zhuǎn)移到TiO_2的缺陷中,激子捆禁在缺陷中并發(fā)生復(fù)合。將C_(60)嵌入到TiO_2中,缺陷態(tài)中的激子可以將電子轉(zhuǎn)移給C_(60)并傳輸?shù)疥帢O,使得器件性能升高。該工作提出了在界面修飾層的內(nèi)部進(jìn)行修飾,使得界面修飾工作不再停留在界面層的表面,而是滲入到了界面層的內(nèi)部。
【圖文】：

圖 1-1 給體-受體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的工作機(jī)制（1）給體的光生激子產(chǎn)生一個(gè)與庫(kù)倫力相關(guān)的電子-空穴對(duì)（2）激子擴(kuò)散到給體-受體界面（3）束縛的激子在 D-A 界面解離形成孿生電子-空穴對(duì)（4）電極處自由電荷的傳輸和收集[21]Fig.1-1 Working mechanism for donor-acceptor heterojunction solar cells (1) Photoexitation ofthe donor to generate a Coulomb correlated electron-hole pair (2) Exciton diffusion to the D-Ainterface (3) Bound exciton dissociation at the D-A interface to form a geminate pair (4) Freecharge transportation and collection at electrodes[21]公式（1-1）、（1-2）、（1-3）和（1-4）顯示了光生激子到自由電荷產(chǎn)生整個(gè)路徑的基本步驟[22, 23]，該過(guò)程也可以發(fā)生在一個(gè)激發(fā)受體的類似情形中，這些機(jī)制步驟的細(xì)節(jié)已經(jīng)被廣泛討論[22]。該過(guò)程需要提供孿生電子-空穴對(duì)形成的能量，并且有足夠能量的驅(qū)動(dòng)力來(lái)分離這個(gè)與庫(kù)倫力相關(guān)的電子-空穴對(duì)。給體和受體的光生電荷分離過(guò)程的初期步驟[23]：（1）給體的光生激子；（2）激子的擴(kuò)散和遭遇電子-空穴對(duì)的形成；（3）遭遇電子-空穴對(duì)的電子傳輸形成孿生電子-空穴對(duì)；（4）電荷分離。這些過(guò)程可以用下面的反應(yīng)方程式來(lái)表示：D A D A*(1-1)[,]**D A DA(1-2)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文性能卻和 ZnO 的厚度有關(guān)，I-V 曲線會(huì)出現(xiàn)一個(gè)扭結(jié)，并且通過(guò) UV 照射，這種扭結(jié)現(xiàn)象會(huì)減輕。當(dāng)厚度大于 10nm 時(shí)，器件的性能不在依賴于 ZnO 的厚度而更多的是依賴于活性層的厚度，通過(guò)優(yōu)化器件，，他們獲得的 PCE 為 3.06%[84也有研究人員采用聚合物來(lái)修飾 ITO 制備有機(jī)光電器件，鄧先宇等人報(bào)道了把PEG 混入到電子發(fā)光（EL）聚合物中大大地提升了聚合物發(fā)光二極管（PLED的 EL 效率。摻入 10%PEG 的橙光聚合物發(fā)光二極管在很寬的電壓范圍實(shí)現(xiàn)了超過(guò) 2.6cd/A 的器件效率，比沒有摻入 PEG 的 PLED 效率高兩個(gè)數(shù)量級(jí)[85]。曹鏞團(tuán)隊(duì)報(bào)道了采用一種醇溶性/水溶性的共軛聚合物 PFN 來(lái)修飾 ITO，降低了ITO 的功函數(shù)，獲得了一個(gè)效率為 9.2%的高效倒裝聚合物太陽(yáng)能電池，為制備效率為 10%的器件提供了途徑，器件結(jié)構(gòu)和效率如圖 1-3 所示[66]。Ouyang 等人a) b)
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN15;TM914.4;O646.541

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本文編號(hào)：2561335