有机胺掺杂抑制聚合物：富勒烯薄膜光伏电池本征衰减机理研究

【作者】 李泽睿； 单坚开； 闫翎鹏； 谭宏伟； 马昌期；

【机构】 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所； 北京师范大学；

【摘要】 当下聚合物太阳能电池的光电转换效率已突破18%,接近了商业化要求;然而其相对较差的稳定性仍大大限制了其实际应用。对于传统的富勒烯基聚合物太阳能电池衰减机理及其稳定性提升方法的探究有助于指导其他体系器件稳定性提升策略的工作。课题组前期工作发现在聚合物:富勒烯薄膜光伏电池中,富勒烯的二聚反应是造成器件JSC快速衰减的主要原因,而掺杂哌嗪可以有效抑制PC61BM三重态的产生从而抑制其二聚反应,进而提升器件的光照稳定性[1]。但这一稳定性提升的分子机制仍不明确。本文选取P3HT:PC61BM这一简单的富勒烯体系作为模型,系统地研究不同N位取代的哌嗪衍生物的掺杂效果。发现所有含N-H基团的哌嗪衍生物均可有效提升这一类太阳能电池的稳定性。我们结合实验与理论计算,证明了这一类有机胺可以与PC61BM之间产生氢键作用,从而拉近两者距离,促进分子间的电荷转移过程;这一电荷转移过程可以抑制富勒烯三重态的产生和二聚反应的发生,从而提升器件稳定性[2]。进一步地,我们选取PEI为模型,发现有机胺在聚合物:富勒烯太阳能电池中的有效掺杂量很低,且作用位置在给受体的界面处,影响活性层中电荷转移(Charge transfer state,CT)态的产生。这一结果进一步地理解了哌嗪类掺杂剂在聚合物:富勒烯太阳能电池中的掺杂稳定效果,进而建立了有机胺分子在富勒烯基太阳能电池稳定性提升方面的分子作用机制[3]。这些稳定剂成本低,来源广,且掺杂手段简单,这也有利于聚合物:富勒烯薄膜光伏电池的工业化生产和商业化应用。更多还原