有机太阳能电池形貌演变和热稳定性可控的原位掠入射X射线散射研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 黄达 |
| 答辩日期 | 2021 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 导师 | 黄宇营 |
| 关键词 | 有机太阳能电池 微观形貌调控 热稳定性 同步辐射 掠入射X射线散射 |
| 英文摘要 | 有机太阳能电池因其制作工艺简单、成本低、质量轻、材料来源广、可柔性等优点,吸引了广大科研工作者的关注。有机太阳能电池活性层的微观形貌的优化和稳定对与其电池器件实现卓越的光电转换效率和热稳定性至关重要。虽然有机太阳能电池的光电转换效率已经突破了18%,但与传统硅基太阳能电池相比还有差距,仍需要通过添加第三元成分、使用溶剂添加剂等手段来优化活性层微观形貌来提高器件光电转换效率;另外,有机太阳能电池的热稳定性是其商业化的一大阻碍,需要增强活性层微观结构的稳定性提高器件热稳定性。因此,研究不同形貌调控方法对活性层薄膜微观形貌的作用机理,以及研究微观形貌热稳定性的提升方法和机理对于有机太阳能电池的进一步发展是非常重要的。同步辐射掠入射广角X射线散射(grazing incidence wide angle X-ray scattering,GIWAXS)和掠入射小角X射线散射(grazing incidence small angle X-ray scattering,GISAXS)相比传统的微观结构表征手段,原子力显微镜、透射电子显微镜等,具有非接触、非破坏等优点,可以原位地对活性层薄膜进行表征并获得大范围的微观结构统计信息,是微观结构表征的强有力手段。本论文以有机太阳能电池的活性层薄膜微观结构作为研究对象,以同步辐射GIWAXS、GISAXS技术作为主要的微观结构表征手段,通过添加第三元成分、添加溶剂添加剂、高温热老化前采用不同的升温速率等手段对活性层微观形貌进行调控,对微观结构的演变机理和电池器件的光电转换效率和热稳定性变化进行研究,系统地研究了多种有机太阳能电池的活性层微观形貌调控方法的内在机理,以及微观结构和器件性能的构效关系,实现了器件光电转换效率和热稳定性的提升,为利用同步辐射GIWAXS、GISAXS方法研究活性层微观结构做出了指导,并在此过程中发展了多种同步辐射X射线散射实验方法,取得了以下几方面的研究成果:1.在上海光源BL16B1小角散射线站发展了两种同步辐射X射线散实验方法,包括:原位变温气氛GIWAXS实验方法,同步辐射掠入射X射线散射技术与紫外-可见吸收光谱联用方法。通过研制一种用于掠入射广角X射线散射的变温气氛实验装置,发展了原位变温气氛GIWAXS实验方法,可以实现20℃-200℃温度调节,提供保护气氛或样品气氛,并进行原位GIWAXS实验。发展了掠入射X射线散射与紫外-可见吸收光谱的联用方法学,设计了全球第一台缺角PILATUS 900K探测器,通过使用缺角PILATUS 900K探测器作为GIWAXS探测器,或使用PILATUS 2M探测器作为GISAXS探测器,使用紫外-可见光纤光谱仪,实现了同步辐射掠入射X射线散射技术与紫外-可见吸收光谱在X射线光束线站秒量级时间分辨的联用,其中GIWAXS探测q值范围为12-25 nm~(-1),GISAXS探测q值范围为0.15-2.8 nm~(-1),紫外-可见光谱探测范围可达220-1100nm;通过开发温度气氛环境样品池,可以对样品进行热退火、溶剂退火等操作,结合联用装置可以对样品薄膜退火、溶剂退火等过程中的结构演变进行原位观测。这两种实验方法的发展,为后续开展的三项有机太阳能电池方面的研究工作提供了实验条件。2.向PTBTz-2/ITIC二元有机太阳电池体系中添加不同质量比的PC_(71)BM作为第三元成分对活性层的微观形貌进行调控,实现电池器件光电转换效率的提升,当添加质量比为35%的PC_(71)BM时,器件的光电转换效率达到最高值11.26%。利用第一项工作中发展的掠入射X射线散射实验方法,对活性层微观形貌进行GIWAXS和GISAXS表征,发现添加的PC_(71)BM可以增强PTBTz-2的out-of-plane方向结晶,缩小?-?堆积距离,使受体聚集形状更趋向于平面型。活性层中达到了适度的结晶尺寸和相分离尺度,形成了良好的给受体互穿网络,实现了载流子传输效率的平衡和提升,促进了电荷的传输和提取,减小了复合损失,从而提高了器件的光电转换效率。3.以PTB7-Th/PC_(71)BM为研究对象,通过添加不同体积比的溶剂添加剂1,8-diiodooctane(DIO)对活性层薄膜结构进行调控,利用第一项工作中发展的掠入射X射线散射实验方法,开展原位GIWAXS和GISAXS实验,解析了DIO对电池器件性能提升和热稳定性降低两方面作用的微观机理。当添加3 vol%DIO时,器件的光电转换效率最高为9.17%,而器件的热稳定性随着DIO体积比的增加会逐渐降低。原位GIWAXS和GISAXS测试结果表明,PC_(71)BM分子会部分溶解于DIO中,可以扩散进入给体相中,并可以促进PTB7-Th结晶,导致了结晶度和结晶尺寸的增加,当添加DIO的比例为3 vol%时,活性层中形成了适宜的结晶尺寸,无定型分子聚集尺寸以及给受体相分离尺度,提供了充足的给受体接触界面和电荷传输通道从而提升了光生激子的解离和电子空穴的传输效率,从而得到了最优化的光电转换效率。与此同时,被DIO溶解的PC_(71)BM分子也促进了退火过程中的微观结构演变,微观形貌稳定性的降低导致了器件热稳定性的降低。4.创新性的提出了以慢升温方式提高有机太阳能电池的热稳定性的方法,并对其进行了机理解析。以非富勒烯体系的PM6/Y6和富勒烯体系的PTB7-Th/PC_(71)BM有机太阳能电池为研究对象,采用不同的升温速率将其升温至热老化温度,原位电池光电转换效率测试发现采用低升温速率可以显著提高后续热老化过程中两个体系电池器件的热稳定性。对于PM6/Y6体系,采用变温速率1℃/min的器件,80℃热老化24小时后剩余PCE比采用变温速率20℃/min的器件提高了190.9%。利用第一项工作中发展的掠入射X射线散射实验方法开展原位GIWAXS、GISAXS表征,发现采用低升温速率的器件活性层中热老化期间的结晶生长得到了抑制,活性层可以维持较为理想的微观形貌。这是由于低升温速率使分子链获得了足够的弛豫时间,形成了更多的局域成核,结晶核之间增强的竞争关系降低了结晶尺寸的增长速率,抑制了层中的结晶生长。 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/33847]  |
| 专题 | 中科院上海应用物理研究所2021-2022年 |
| 作者单位 | 1.中国科学院上海应用物理研究所 2.中国科学院大学; |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 黄达. 有机太阳能电池形貌演变和热稳定性可控的原位掠入射X射线散射研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 2021. |
入库方式： OAI收割
来源：上海应用物理研究所
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