分类号 密级 UDC 编号 中国科学院研究生院硕士学位论文有机小分子光伏器件设计与研究Classified Index Confidential grade UDC Number Thesis Applying for a Master Degree to the Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics Chinese Academy of ScienceDesign and research on small molecular weight organic photovoltaic devices Taojun Zhuang Directed by Prof. Bei Chu Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Science, China2011独创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名： 日期：学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解中国科学院研究生院及中国科学院长春光学精密机械与物理研究所有关保留、使用学位论文的规定，即：中国科学院研究生院及中国科学院长春光学精密机械与物理研究所有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权中国科学院研究生院及中国科学院长春光学精密机械与物理研究所可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编本学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名： 指导教师签名：日 期： 日期：学位论文作者毕业后去向：工作单位： 电话： 通讯地址： 邮编： 摘 要学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日有机小分子光伏器件设计与研究摘 要 有机光伏器件由于具有成为低成本、柔性的可再生能量转换装置的潜力，近些年来受到人们的广泛关注。本论文对有机小分子光伏器件结构设计和物理过程进行了研究，目的就在于改善有机光伏器件的效率和稳定性。通过在有机小分子太阳能电池CuPc/C60和TiOPc/C60的阳极ITO表面分别制备了一层Ag纳米颗粒，并采用MoO3作为阳极缓冲层，使器件的性能均得到有效改善。Ag纳米颗粒的引入所形成的表面等离子激元共振可提高有机光活性层的吸收效率和光生激子的分解效率；而MoO3阳极缓冲层则有效抑制了光生激子在有机/金属界面处发生猝灭。最终在保持器件其它性能不变的情况下提高了短路电流，进而使器件的能量转化效率得到改善。通过引入一种薄Bphen层和厚SnCl2Pc层组成的复合激子阻挡层，使得有机光伏器件的效率和寿命均得到提高，其中的Bphen层和SnCl2Pc层分别起到阻挡光生激子和调节光场的作用。由于SnCl2Pc具有较高的电子迁移率且LUMO能级与受体相匹配，使得在复合激子阻挡层中能实现大厚度的SnCl2Pc层。与采用传统BCP激子阻挡层的有机光伏器件相比，使用这种复合激子阻挡层的器件的能量转化效率提高了27%。同时，由于复合君子阻挡层中的厚SnCl2Pc层能有效的阻止水、氧气扩散进入器件，使得有机光伏器件的寿命也得到了改善。关键词：有机光伏；金属等离子体激元；MoO3；激子阻挡层；SnCl2PcIAbstractDesign and research on small molecular weight organic photovoltaic devicesTaojun Zhuang（Condensed Matter Physics）Directed by Prof. Bei ChuAbstractOrganic photovoltaic (OPV) devices have gained considerable attention recently due to their potential as low-cost and flexible renewable energy conversion devices. In this thesis, we study the structure and physical mechanism of small molecular weight organic photovoltaic devices for improving their efficiency and lifetime.Enhanced performance of small molecular weight organic solar cells based on CuPc/C60 and TiOPc/C60 with Ag nanoparticles fabricated on the ITO anode and MoO3 as the anode buffer layer has been demonstrated. Surface plasmon induced by the incorporation of Ag nanoparticles results in the increased absorption efficiency and photogenerated exciton dissociation probability of the photoactive layers. Meanwhile, the quenching of the photogenerated excitons at the organic/metal interface can be successfully restricted by the MoO3 anode buffer layer. Consequently, the short-circuit current is improved while the other parameters maintain unaffected, which leads to enhanced power conversion efficiency of the devices. We demonstrate that the improvement of both efficiency and lifetime of organic photovoltaic devices by employing thin Bphen and thick SnCl2Pc as the compound exciton blocking layer (EBL), where Bphen and SnCl2Pc acts as the photogenerated exciton blocking layer and optical spacer, respectively. A thicker SnCl2Pc layer can be adopted due to its high electron mobility and aligned lowest unoccupied molecular orbital with the acceptor. The OPV device with such a compound EBL leads to an increase by 27% in power conversion efficiency compared to the device with a traditional bathocuproine EBL. Moreover, the lifetime is also improved due to the superior oxygen and moisture diffusion blocking effect of the thick SnCl2Pc layer.Key words: organic photovoltaic; metal plasmon; MoO3; exciton blocking layer; SnCl2PcV目 录目 录摘 要IAbstractII目 录IV第一章 绪论11.1 研究背景及意义11.2 有机太阳能电池的发展历程21.3 本论文的主要研究内容8第二章 有机光伏研究的基础理论知识92.1 有机半导体材料92.1.1 有机半导体材料的分类92.1.2 有机半导体的优点特性102.1.3 有机半导体的分子轨道112.1.4 有机半导体中载流子的传输132.1.5 激子的分类152.1.6 激子的传输162.2 有机光伏理论182.2.1 有机光伏的基本知识192.2.2 有机光伏器件的常见结构222.2.3 有机光伏的微观物理机制242.2.4 有机光伏的宏观物理表达和物理模型26第三章 银纳米颗粒对有机小分子太阳能电池性能改善的研究313.1 引言313.2 实验材料和方法323.3 实验结果与讨论333.4 本章小结38第四章 Bphen/SnCl2Pc复合激子阻挡层对有机光伏器件性能改善的研究394.1 引言394.2 实验材料和方法404.3 实验结果与讨论414.3.1 Sn