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中科院365bet官网在有机光电界面材料与器件性能方面取得进展
编辑:365bet体育在线投注,日期:2013-12-02

  有机光电器件具有成本低、加工工艺简单、轻薄便携、可实现大面积柔性器件等优点,在发光二极管和太阳能电池等领域具有广阔的应用前景。在有机光电器件的设计与制备当中,电极界面特性对器件的性能起着至关重要的作用,能显著影响到器件的载流子注入和抽提效率,因此,良好的界面特性是实现高性能器件的必要前提条件。 

  传统的有机光电器件一般采用PEDOT:PSS作为阳极界面修饰材料,低功函的活泼金属CaBa等作阴极来提高器件性能。但是PEDOT:PSS具有酸性,会腐蚀ITO衬底,影响器件稳定性;活泼金属空气不稳定,不利于器件的封装和稳定性。因此,发展新型界面修饰材料,提高器件的性能和稳定性,对有机光电器件的发展和实用化具有重要意义。中科院宁波材料方俊锋研究员和酒同钢副研究员带领的团队从有机、无机和有机/无机杂化等方面对新型界面材料展开了研究。有机材料具有良好的界面修饰能力,而且溶解性好,可溶液加工成膜;无机材料具有优异的电学性质和稳定性;有机/无机杂化材料可以结合有机和无机材料的优势,协同提高器件性能。 

  有机界面修饰材料方面,在前期的工作当中,提出了将两性离子结构引入到聚合物离子型界面修饰材料当中,利用两性离子特殊的化学结构,将阴阳离子通过化学键绑定在一起,大幅提高了发光器件的响应时间,器件亮度和效率相对于传统的Ca电极也有了2倍以上的提高(J.Am.Chem.Soc.,2011,133,683)。与瑞典Umea大学合作,利用这种两性离子材料可以让离子自由通过,本身也可发光,而且与其他聚合物有溶解性的差异,制备了三层聚合物电化学池器件,蓝光效率5.3 Cd/AJ. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 14050)。今年,该团队从材料化学结构的角度进一步研究了两性离子材料的器件性能,发现不含任何π共轭体系的小分子界面材料的器件性能与共轭聚合物的器件性能相当或者更好(Fig. 1, Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 3417)。除了在发光器件中具有良好的界面性能外,这类小分子材料在有机太阳能电池中也可以提高器件的效率,电池效率可达8.0%。目前国际上离子型光电器件界面修饰材料主要围绕π共轭体系展开,特别是共轭聚合物和齐聚物,这一结果进一步扩展了高效界面修饰材料的设计思路,简化了高效界面修饰材料的合成步骤,降低了成本。该团队进一步引入具有良好导电性的富勒烯醇溶性衍生物,用作有机光伏器件界面修饰层, 器件的各项性能指标(Voc, Jsc, FF)都有明显的改善,高于传统的Ca电极的器件性能(J .Mater. Chem. A., 2013, 1, 12413)。在上述研究的基础上,还引入具有不同传输性能的有机基团和不同离子的有机小分子盐,调节材料的导电性和亲水性,实现了9.2%的有机光伏器件(文章正在投稿中)。 

 

小分子两性离子材料及器件性能

 

  无机界面修饰材料方面,围绕金属钼的氧化物和硫化物取得了良好的进展。金属钼的硫化物在有机光伏器件界面修饰方面的报道非常有限,目前报道的方法一方面需要无水无氧的苛刻条件进行化学剥离,另一方面需要通过其他金属盐的掺杂才可以实现器件性能的提升,工艺过程复杂而且器件性能不够理想。该团队采用(NH4)2MoS4通过直接溶液旋凃的方法成膜,并通过温度调控加热直接分解成金属钼的硫化物,制备了具有不同硫化物(MoS2, MoS3)成分的功能薄膜,并首次研究了MoS2MoS3成分对器件性能的影响。结果表明,MoS3可以提高器件的Voc,但Jsc较低;MoS2可以提高器件的Jsc,但Voc较低;而MoS2MoS3的混合薄膜则可以同时提高VocJsc,器件性能可与基于PEDOT:PSSCa的传统器件性能相比拟(ACS.Appl.Mater.&Inerfaces,2013,5,8823),这一研究结果表明,除了氧化物,钼的金属硫化物也是非常有前途的界面修饰材料。钼的氧化物MoO3由于其良好的空穴注入能力和环境稳定性而备受关注,目前比较常用的是真空热蒸镀沉积的制膜方法,这与太阳能电池柔性制备工艺不相兼容。该团队使用钼酸铵作为前驱体,直接加热分解得到平整的MoO3薄膜,器件性能和稳定性相对于传统使用的PEDOT:PSS有了明显的提高(Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2014, 120,603)。而且发现通过一步加热的方式,在实现对活性层的进行退火处理的同时,前体也能分解成MoO3,且形成的MoO3是一种柱状的结构,这种结构增大了界面层和活性层的接触面积,有助于空穴的注入,从而提高了填充因子,因此器件的效率也得到了提高。(Org. Electron., 2014, 15,29)。 

 

无机界面材料及其器件性能

 

    在有机和无机界面材料的工作基础之上,该团队进一步提出了有机/无机功能杂化的思路,将有机材料良好的界面修饰性能和溶液加工特性与无机半导体的导电性、稳定性和耐溶剂等性质相结合,发挥有机和无机各自的优势,协同提高器件性能。利用乙基黄原酸镉前驱体加热分解成CdS的原理,将具有良好电子传输和空穴阻挡功能的4,7-二苯基-1,10-邻菲罗啉(BCP)作为第二配体引入到前驱体当中,合成了新型可溶性有机配合物前驱体(图3),通过溶液旋凃和热处理的方法,制备了耐溶剂的CdS·BCP杂化功能薄膜,器件性能明显优于基于单一CdSBCP的器件。器件的稳定性也大幅提升,经过3600小时,器件效率仅衰减14%6.4%),而同一条件下传统器件的效率衰减高达45.4%3.8%)。通过这种方法制备的界面材料还适用于不同的活性层体系(ACS Appl. Mater. & Interfaces, 2013, 5, 10428)。该研究为新型高效和稳定性好的有机光电器件界面修饰材料的设计合成和器件制备提供了新的思路和方法。 

 

有机无机杂化前驱体化学结构和器件性能

 

  除了界面材料外,该团队在宽光谱吸取的有机小分子太阳能电池给体材料(J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 7622; RSC.Adv., DOI: 10.1039/C3RA44145H)和有机/无机杂化活性层材料也有了初步进展。其中,溶液法制备的有机无机杂化钙钛矿类材料,器件效率可达11.2%,为进一步实现高效有机光伏性能打下了良好的前期基础。研究得到了国家自然科学基金委面上项目和青年项目,宁波市自然科学基金和材料所所长基金等项目的大力支撑。 

 

                                                                                      (新能源所)

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