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PFN和PFN-Br修饰非富勒烯型OPV(PBDB-T-2F:IT-4F)的器件性能表征
发布时间:2021-08-16     作者:zhn   分享到:

采用PFN及其衍生物PFN-Br作为负极界面层制备了高效率的OPV器件,阐明了PFN和PFN-Br在修饰富勒烯型和非富勒烯型OPV器件中的不同工作机制,对于构筑高效率的非富勒烯OPV提出了新的器件设计策略。

PFN和PFN-Br修饰非富勒烯型OPV(PBDB-T-2F:IT-4F)的器件性能表征

PFN-Br与PFN用于制备富勒烯型OPV,器件的光伏参数相似,表明PFN-Br和PFN界面层在富勒烯型OPV中都能很好地工作。然而,使用PFN作为负极界面层的非富勒烯型OPV器件表现出明显的“S形”J-V曲线,器件的填充因子仅为0.48。

进一步的器件研究表明,PFN界面层强烈抑制了负极的电荷收集效率,导致严重的电荷复合。同时,采用PFN-Br代替PFN用于负极修饰,能够大幅度改善负极的电子提取和传输性能,从而使界面处的电荷复合问题得到解决,器件光伏效率显着提升至13.5%。

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PFN和PFN-Br在非富勒烯OPV体系(PBDB-T-2F:IT-4F)中的器件激子解离效率和光强度的相关性表征

基于PFN-Br的非富勒烯型OPV激子解离效率为91.9%,远高于PFN器件(73.0%)。在电流对光强相关性测试中,α系数值分别确定为0.996和0. 731;在电压对光强相关性测试中,斜率分别为1.19和1.75。

实验数据表明,陷阱辅助电荷复合机制在PFN修饰的非富勒烯型OPV中占主导地位,而双分子电荷复合是PFN-Br器件中的主要复合机制。以上结果表明,PFN界面层对于加剧非富勒烯器件电荷复合起到关键作用,是导致负极电荷收集效率降低的主要原因。

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PFN、PFN-Br、PCBM和IT-4F的两两混合物的ESR表征

暗态下,对于PFN-Br和PFN没有观察到电子顺磁共振(ESR)信号,说明界面层材料不具有自掺杂作用。但是,所有的界面层/受体混合样品都显示出明显的ESR信号,说明在混合物中存在未配对的电子。其中,PFN:IT-4F混合物表现出特别显着的ESR信号,可以归因于PFN氨基到IT-4F的分子间电子转移。

基于以上实验数据,作者阐明了PFN和PFN-Br影响富勒烯型和非富勒烯型OPV性能的工作机制:在PFN修饰负极的情况下,由于具有球形共轭结构的PC71BM分子可以接受四个以上的电子,因此掺杂后仍然能够在PC71BM/PFN界面处接收更多电子并将其有效地转移到负极。然而,平面型IT-4F只能接受一个电子,在单电子掺杂后会产生致密的电子积累层,阻碍了电子进一步从活性层转移到负极,因而极大地降低了负极对电子的收集效率。在PFN-Br修饰的情况下,由于PFN-Br季铵盐的溴负离子给电子能力较弱,与受体IT-4F之间仅存在微弱的电子转移作用,因此不会形成电子积累层。同时,PFN-Br可以形成界面偶极,有助于在电极/ PFN-Br界面处形成欧姆接触,从而促进负极对电荷的提取。

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综上所述,该工作考察了PFN和PFN-Br在OPV器件中的不同修饰效果,深入研究了PFN和PFN-Br的工作机理,阐明了掺杂作用对于修饰富勒烯型和非富勒烯型OPV的不同影响,为筛选合适的界面层材料用于构建高效率OPV提供了新的设计策略。

小编zhn2021.08.16





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