有機(jī)光電器件具有成本低、加工工藝簡(jiǎn)單、輕薄便攜、可實(shí)現(xiàn)大面積柔性器件等優(yōu)點(diǎn),在發(fā)光二極管和太陽能電池等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在有機(jī)光電器件的設(shè)計(jì)與制備當(dāng)中,電極界面特性對(duì)器件的性能起著至關(guān)重要的作用,能顯著影響到器件的載流子注入和抽提效率,因此,良好的界面特性是實(shí)現(xiàn)高性能器件的必要前提條件。
傳統(tǒng)的有機(jī)光電器件一般采用PEDOT:PSS作為陽極界面修飾材料,低功函的活潑金屬Ca、Ba等作陰極來提高器件性能。但是PEDOT:PSS具有酸性,會(huì)腐蝕ITO襯底,影響器件穩(wěn)定性;活潑金屬空氣不穩(wěn)定,不利于器件的封裝和穩(wěn)定性。因此,發(fā)展新型界面修飾材料,提高器件的性能和穩(wěn)定性,對(duì)有機(jī)光電器件的發(fā)展和實(shí)用化具有重要意義。中科院寧波材料方俊鋒研究員和酒同鋼副研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)從有機(jī)、無機(jī)和有機(jī)/無機(jī)雜化等方面對(duì)新型界面材料展開了研究。有機(jī)材料具有良好的界面修飾能力,而且溶解性好,可溶液加工成膜;無機(jī)材料具有優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性;有機(jī)/無機(jī)雜化材料可以結(jié)合有機(jī)和無機(jī)材料的優(yōu)勢(shì),協(xié)同提高器件性能。
有機(jī)界面修飾材料方面,在前期的工作當(dāng)中,提出了將兩性離子結(jié)構(gòu)引入到聚合物離子型界面修飾材料當(dāng)中,利用兩性離子特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu),將陰陽離子通過化學(xué)鍵綁定在一起,大幅提高了發(fā)光器件的響應(yīng)時(shí)間,器件亮度和效率相對(duì)于傳統(tǒng)的Ca電極也有了2倍以上的提高(J.Am.Chem.Soc.,2011,133,683)。與瑞典Umea大學(xué)合作,利用這種兩性離子材料可以讓離子自由通過,本身也可發(fā)光,而且與其他聚合物有溶解性的差異,制備了三層聚合物電化學(xué)池器件,藍(lán)光效率5.3 Cd/A(J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 14050)。今年,該團(tuán)隊(duì)從材料化學(xué)結(jié)構(gòu)的角度進(jìn)一步研究了兩性離子材料的器件性能,發(fā)現(xiàn)不含任何π共軛體系的小分子界面材料的器件性能與共軛聚合物的器件性能相當(dāng)或者更好(Fig. 1, Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 3417)。除了在發(fā)光器件中具有良好的界面性能外,這類小分子材料在有機(jī)太陽能電池中也可以提高器件的效率,電池效率可達(dá)8.0%。目前國際上離子型光電器件界面修飾材料主要圍繞π共軛體系展開,特別是共軛聚合物和齊聚物,這一結(jié)果進(jìn)一步擴(kuò)展了高效界面修飾材料的設(shè)計(jì)思路,簡(jiǎn)化了高效界面修飾材料的合成步驟,降低了成本。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步引入具有良好導(dǎo)電性的富勒烯醇溶性衍生物,用作有機(jī)光伏器件界面修飾層, 器件的各項(xiàng)性能指標(biāo)(Voc, Jsc, FF)都有明顯的改善,高于傳統(tǒng)的Ca電極的器件性能(J .Mater. Chem. A., 2013, 1, 12413)。在上述研究的基礎(chǔ)上,還引入具有不同傳輸性能的有機(jī)基團(tuán)和不同離子的有機(jī)小分子鹽,調(diào)節(jié)材料的導(dǎo)電性和親水性,實(shí)現(xiàn)了9.2%的有機(jī)光伏器件(文章正在投稿中)。
小分子兩性離子材料及器件性能
無機(jī)界面修飾材料方面,圍繞金屬鉬的氧化物和硫化物取得了良好的進(jìn)展。金屬鉬的硫化物在有機(jī)光伏器件界面修飾方面的報(bào)道非常有限,目前報(bào)道的方法一方面需要無水無氧的苛刻條件進(jìn)行化學(xué)剝離,另一方面需要通過其他金屬鹽的摻雜才可以實(shí)現(xiàn)器件性能的提升,工藝過程復(fù)雜而且器件性能不夠理想。該團(tuán)隊(duì)采用(NH4)2MoS4通過直接溶液旋凃的方法成膜,并通過溫度調(diào)控加熱直接分解成金屬鉬的硫化物,制備了具有不同硫化物(MoS2, MoS3)成分的功能薄膜,并首次研究了MoS2和MoS3成分對(duì)器件性能的影響。結(jié)果表明,MoS3可以提高器件的Voc,但Jsc較低;MoS2可以提高器件的Jsc,但Voc較低;而MoS2和MoS3的混合薄膜則可以同時(shí)提高Voc和Jsc,器件性能可與基于PEDOT:PSS和Ca的傳統(tǒng)器件性能相比擬(ACS.Appl.Mater.&Inerfaces,2013,5,8823),這一研究結(jié)果表明,除了氧化物,鉬的金屬硫化物也是非常有前途的界面修飾材料。鉬的氧化物MoO3由于其良好的空穴注入能力和環(huán)境穩(wěn)定性而備受關(guān)注,目前比較常用的是真空熱蒸鍍沉積的制膜方法,這與太陽能電池柔性制備工藝不相兼容。該團(tuán)隊(duì)使用鉬酸銨作為前驅(qū)體,直接加熱分解得到平整的MoO3薄膜,器件性能和穩(wěn)定性相對(duì)于傳統(tǒng)使用的PEDOT:PSS有了明顯的提高(Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2014, 120,603)。而且發(fā)現(xiàn)通過一步加熱的方式,在實(shí)現(xiàn)對(duì)活性層的進(jìn)行退火處理的同時(shí),前體也能分解成MoO3,且形成的MoO3是一種柱狀的結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)增大了界面層和活性層的接觸面積,有助于空穴的注入,從而提高了填充因子,因此器件的效率也得到了提高。(Org. Electron., 2014, 15,29)。
無機(jī)界面材料及其器件性能
在有機(jī)和無機(jī)界面材料的工作基礎(chǔ)之上,該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了有機(jī)/無機(jī)功能雜化的思路,將有機(jī)材料良好的界面修飾性能和溶液加工特性與無機(jī)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和耐溶劑等性質(zhì)相結(jié)合,發(fā)揮有機(jī)和無機(jī)各自的優(yōu)勢(shì),協(xié)同提高器件性能。利用乙基黃原酸鎘前驅(qū)體加熱分解成CdS的原理,將具有良好電子傳輸和空穴阻擋功能的4,7-二苯基-1,10-鄰菲羅啉(BCP)作為第二配體引入到前驅(qū)體當(dāng)中,合成了新型可溶性有機(jī)配合物前驅(qū)體(圖3),通過溶液旋凃和熱處理的方法,制備了耐溶劑的CdS·BCP雜化功能薄膜,器件性能明顯優(yōu)于基于單一CdS或BCP的器件。器件的穩(wěn)定性也大幅提升,經(jīng)過3600小時(shí),器件效率僅衰減14%(6.4%),而同一條件下傳統(tǒng)器件的效率衰減高達(dá)45.4%(3.8%)。通過這種方法制備的界面材料還適用于不同的活性層體系(ACS Appl. Mater. & Interfaces, 2013, 5, 10428)。該研究為新型高效和穩(wěn)定性好的有機(jī)光電器件界面修飾材料的設(shè)計(jì)合成和器件制備提供了新的思路和方法。
有機(jī)無機(jī)雜化前驅(qū)體化學(xué)結(jié)構(gòu)和器件性能
除了界面材料外,該團(tuán)隊(duì)在寬光譜吸收的有機(jī)小分子太陽能電池給體材料(J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 7622; RSC.Adv., DOI: 10.1039/C3RA44145H)和有機(jī)/無機(jī)雜化活性層材料也有了初步進(jìn)展。其中,溶液法制備的有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦類材料,器件效率可達(dá)11.2%,為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高效有機(jī)光伏性能打下了良好的前期基礎(chǔ)。研究得到了中科院百人計(jì)劃擇優(yōu)支持,國家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目和青年項(xiàng)目,寧波市自然科學(xué)基金和材料所所長基金等項(xiàng)目的大力支持。
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