有机双稳态器件和有机太阳能电池的电学性质研究

论文摘要

有机半导体是近二十年最热门的科技领域之一,这主要归因于基于有机半导体的各类器件有着巨大的应用前景。有机双稳态器件和有机太阳能电池也因此成为研究热点。目前虽然有了很多双稳态器件的报道,但是对于双稳态器件中的基本物理机理还不是十分清楚;而对于有机太阳能电池,其器件稳定性和制作成本上都还远远没达到实际应用的要求。本论文主要是研究小分子电双稳态器件的基本电学性质和内在机理,并在提高有机太阳能电池寿命和降低成本方面做了些研究。具体内容如下:1.制备单层和三层有机双稳态器件,并测量得到其典型的电学性质,首次发现了这种器件中的一个延迟开启效应。虽然以前报道的实验现象有很大的差异,但几乎所有的有机双稳态器件都存在一个共同点,那就是有机双稳态器件从OFF态向ON态的转变必须在各自的阂值电压以上,而对于器件在阈值电压以下器件能否从OFF态向ON态转变,还未见任何实验报道。因此我们研究了器件在阈值电压以下器件的特性。我们发现我们制备的有机双稳态器件,器件在低于阈值电压(Vth)以下的电压下就能从OFF态转变为ON态。在小于阈值电压的范围内,所加的电压越小,使器件从OFF态向ON态开启所需要的时间越长,时间的跨度可以从秒量级达到104秒的量级,而且器件的电流随着时间呈台阶式上升。另外,我们还发现除了通过加在Vmax＜V＜Vmin区域的电压可以得到中间态,通过加在Vth＜V＜Vmax区域的电压,也有中间态的存在。这对于进一步了解器件机理提供了线索2.制备了单层有机双稳态器件,并研究了高电压对于器件的影响。对于有机双稳态器件,几乎所有的测试电压都是在器件的Vmin电压以下,然而对于对器件施加大于Vmin电压后会对器件的双稳态效应造成什么样的影响目前还没有文献报道。因此,我们研究了高电压对于器件的双稳态的影响。我们发现当扫描终止电压超过Vmin后,器件的双稳态现象逐渐变差,直到最后器件完全失去双稳态特性。而给器件再加十毫秒量级或更长时间的Vmin附近的电压脉冲,器件又能够恢复双稳态。3.利用并五苯作为有机介质制备了有机双稳态器件,并研究了其特殊的电学性质。并五苯是一种载流子迁移率相当高的有机材料,利用这个材料制备的双稳态器件可能和用普通有机材料制备的器件之间存在差别。我们利用了并五苯材料制备了单层双稳态器件,发现器件在正电压方向上没法实现从ON态向OFF态的转变,而在负电压方向上器件表现出和其他材料一致的双稳态特性。我们猜测可能是由于并五苯和ITO材料接触界面的特殊性或者是并五苯的导电性能太好引起的。我们通过在并五苯界面上插入LiF,Al,Al2O3等材料改变器件界面性质,发现插入以上缓冲层能够使器件恢复典型的双稳态特性。而如果插入NPB材料,器件的双稳态特性可能是典型的双稳态特性,也可能是和单层并五苯器件一样。综合所有分析,我们认为正向电流太大应该是导致并五苯单层器件特殊正方向双稳态特性的原因。4.利用C60/Al复合电极制备了倒结构的太阳能电池,使得有机太阳能电池的寿命得到显著地提高。有机太阳能电池存在的一个问题是寿命太短,尤其是在没有封装的情况下寿命更短。对于CuPc＼C60的异质结有机太阳能电池,影响其寿命的主要原因可能还是来自于氧气扩散进入C60后造成的性能下降和C60和阴极之间的界面的稳定性。但是如果把器件结构反过来,形成C60/CuPc异质结,可以使得C60材料受到CuPc层保护,器件寿命更长。在这中结构里,Al不适合做顶电极,因为其功函数太低,因此我们利用C60/Al作为复合电极制备了与传统结构相反的结构ITO＼acceptor＼donor＼阳极的有机小分子太阳能电池。器件的能量转换效率为0.78%,在未封装的条件下,器件的寿命达到950小时。我们也利用C60Al作为阳极制作了有机电致发光器件,最大电流效率为2.1 cd/m2,功率效率为1.4 lm/W,和传统器件的效率相当。因此在有机半导体器件中,C60Al复合电极具有高功函数金属电极的性质,可以作为阳极使用。5.利用一个无真空过程、全溶液方法制备了低成本的聚合物有机太阳能电池对于商业化,器件的制备成本也是非常重要的一个问题,如何尽量降低器件的生产成本是影响有机太阳能电池市场化的很重要的一个因素。传统的roll-to-roll的压膜过程由于其简单和低成本是一个非常有效的过程。这个过程不需要任何真空热蒸发过程,每层膜都是利用溶液方法制成。我们利用一个全溶液方法以及压膜过程制备了聚合物太阳能电池器件,整个过程没有用到真空,器件效率约为1.2%。化学浴沉积方法制备的CdS薄膜被用作阴极缓冲层,它的引入大大提高了器件的能量转换效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 研究背景-有机光电子学的兴起
• 1.2 有机双稳态器件研究背景
• 1.2.1 有机电双稳态器件的基本特性
• 1.2.2 有机电双稳态器件的研究进展
• 1.2.3 有机电双稳的种机理
• 1.3 有机太阳能电池研究进展
• 1.3.1 有机太阳能电池的工作原理
• 1.4 研究内容
• 参考文献
• 第二章 实验设备与实验技术
• 2.1 高真空热蒸发系统
• 2.2 I-V测量系统
• 2.2.1 模拟太阳光系统
• 2.2.2 原子力显微镜（AFM）
• 2.3 有机双稳态器件和有机太阳能电池的制备
• 参考文献
• 第三章 有机双稳态器件中的延迟开启及其它效应
• 3.1 研究背景
• 3.2 有机双稳态器件的制备过程
• 3.3 有机电双稳态器件的基本电学性质
• 3.4 器件的延迟开启效应
• 3.5 电导中间态的存在
• 3.6 有机双稳态器件的气氛效应
• 3.7 有机双稳态器件金属电极材料以及有机半导体材料的影响
• 3.8 有机双稳态器件有机材料厚度的影响
• 3.9 利用CAFM研究有机薄膜的局域导电性质
• 3.10 机理讨论
• 参考文献
• 第四章 有机双稳态器件双稳态效应的失去与恢复
• 4.1 研究背景
• 4.2 有机双稳态器件的制备
• 4.3 高电压对于双稳态器件的影响
• 4.4 扫描速度对双稳态器件的影响
• 4.5 机理讨论
• 参考文献
• 第五章 并五苯有机双稳态器件
• 5.1 研究背景
• 5.2 制备并五苯有机双稳态器件
• 5.3 利用并五苯制备的有机电双稳态器件的特性
• 参考文献
• 第六章 用C60/Al电极制作倒结构太阳能电池
• 6.1 研究背景
• 6.2 倒结构太阳能电池的制备
• 6.3 倒结构太阳能电池的性能
• 参考文献
• 第七章 利用全溶液方法制备聚合物太阳能电池
• 7.1 项目背景
• 7.2 实验过程
• 7.3 实验结果与讨论
• 参考文献
• 致谢
• 发表文章列表