分会

第二十六分会：有机光伏材料与器件

摘要

分子掺杂作为一种有效的有机半导体材料电学性能调控手段，在多元体系器件中的应用面临着新的挑战。以聚合物太阳能电池为例，电子给体和受体分别需要P型和N型掺杂优化；掺杂剂极性错配反而会对器件性能产生负面影响。因此，深刻理解分子掺杂剂在体相异质结中分布的驱动力，从而提出有效的分子掺杂剂分布调控策略是提高掺杂效率的重要途径。在选择了PCE10/N2200与PBDB-T/N2200两种全聚合物体系作为研究对象，并引入N-DMBI作为N型掺杂剂之后，我们首先排除了掺杂剂与组元材料在溶液中形成电荷传输复合物的可能，因此掺杂剂分布是在成膜过程中由分子间弱相互作用力共同决定的。随后我们计算了组元材料与掺杂剂之间的Hansen总溶解度参数值，并用其差值估计组元材料与掺杂剂之间的相容性，光伏性能测试表明当掺杂剂与给体相容性差时，器件光伏性能提升明显。掺杂形貌表征结果表明掺杂剂会降低薄膜结晶，因此掺杂对光伏性能的提升来源于N型掺杂作用而非形貌优化。接下来我们绘制了三元相图来综合考量热力学与动力学因素对掺杂剂分布的影响，通过与实际薄膜形貌进行比对，我们发现动力学成膜演化在实验中并不改变热力学相容性所做出的分析预测。最后，我们制备了平面双层异质结器件，从而可以准确控制N-DMBI在给、受体材料中的分布。我们发现在不同膜厚条件下，当N-DMBI置于N2200受体层中均能提高器件的短路电流密度。我们的工作说明了掺杂剂与给、受体的相容性匹配是实现有效掺杂的重要前提，从而大幅降低了掺杂光伏的试错工作量。

关键词

分子掺杂；N型掺杂；聚合物太阳能电池；掺杂形貌；三元相图

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