PM6:Y6多元有機太陽能電池：制備工藝與性能優(yōu)化的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源需求持續(xù)增長，傳統(tǒng)化石能源的大量消耗不僅引發(fā)了能源危機，還帶來了嚴重的環(huán)境污染和氣候變化問題。在這樣的背景下，開發(fā)清潔、可再生的新能源成為了全球關(guān)注的焦點。太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，具有巨大的開發(fā)潛力，有機太陽能電池（OrganicSolarCells，OSCs）應(yīng)運而生，成為新能源領(lǐng)域的研究熱點之一。有機太陽能電池是一種利用有機半導(dǎo)體材料將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，具有成本低、重量輕、可溶液加工、可制備成柔性器件以及可大面積制備等諸多優(yōu)點，在便攜式電子設(shè)備、建筑一體化光伏、可穿戴電子設(shè)備等領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。例如，在建筑一體化光伏中，有機太陽能電池可以制成半透明的薄膜，直接應(yīng)用于建筑物的窗戶、幕墻等，既能夠發(fā)電，又不影響建筑物的采光和美觀；在可穿戴電子設(shè)備中，柔性的有機太陽能電池可以與衣物等材料結(jié)合，為設(shè)備提供持續(xù)的能源供應(yīng)。早期的有機太陽能電池主要基于富勒烯及其衍生物作為受體材料，但由于富勒烯材料自身的一些局限性，如吸收光譜窄、合成和提純困難、成本較高等，限制了器件效率的進一步提升。近年來，非富勒烯受體（Non-FullereneAcceptors，NFAs）材料的出現(xiàn)為有機太陽能電池的發(fā)展帶來了新的契機。其中，Y6作為一種高性能的非富勒烯受體材料，具有較寬的吸收光譜、合適的能級結(jié)構(gòu)以及良好的電子遷移率等優(yōu)點，與聚合物給體PM6搭配組成的PM6:Y6二元體系展現(xiàn)出了優(yōu)異的光伏性能，推動了有機太陽能電池效率的大幅提升，單結(jié)器件的光電轉(zhuǎn)換效率（PowerConversionEfficiency，PCE）已突破19%。盡管PM6:Y6二元體系取得了顯著的成果，但目前仍面臨一些挑戰(zhàn)，如光吸收范圍有限、活性層薄膜形貌的穩(wěn)定性有待提高、電荷傳輸和復(fù)合機制仍需深入理解等。為了進一步提升有機太陽能電池的性能，多元共混策略被廣泛研究。通過在PM6:Y6二元體系中引入第三或第四組分材料，可以有效地擴展活性層的光吸收范圍，優(yōu)化薄膜的形貌和能級排列，從而提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。例如，通過引入具有特定吸收光譜的小分子或聚合物，可以使活性層在更寬的光譜范圍內(nèi)吸收光子，增加光生載流子的產(chǎn)生；合適的第三組分還可以改善PM6和Y6之間的相分離結(jié)構(gòu)，促進電荷的傳輸和收集，減少電荷復(fù)合，進而提高器件的填充因子和短路電流。基于PM6:Y6的多元有機太陽能電池的研究具有重要的科學(xué)意義和實際應(yīng)用價值。從科學(xué)研究角度來看，深入探究多元體系中各組分之間的相互作用機制、電荷傳輸和復(fù)合過程以及薄膜形貌的演變規(guī)律，有助于豐富和完善有機太陽能電池的基礎(chǔ)理論，為材料設(shè)計和器件優(yōu)化提供更堅實的理論依據(jù)。從實際應(yīng)用角度出發(fā)，提高有機太陽能電池的性能和穩(wěn)定性，降低成本，將有助于推動其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，為緩解全球能源危機和環(huán)境問題做出貢獻。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在有機太陽能電池領(lǐng)域，PM6:Y6體系憑借其優(yōu)異的光伏性能，成為了近年來研究的重點。國內(nèi)外眾多科研團隊圍繞PM6:Y6多元有機太陽能電池，在材料、制備工藝、性能優(yōu)化等多個方面展開了深入研究，并取得了一系列顯著成果。在材料研究方面，國內(nèi)外學(xué)者致力于開發(fā)新型的第三或第四組分材料，以優(yōu)化PM6:Y6體系的性能。國外如德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院的HanLi和BenjaminS.Flavel團隊，結(jié)合單壁碳納米管和非富勒烯受體Y6等，實現(xiàn)了具有高光電轉(zhuǎn)換效率的三元光伏器件。他們發(fā)現(xiàn)，根據(jù)受體材料的能級，Y6能與單壁碳納米管形成II型異質(zhì)結(jié)，在ITO/PEDOT：PSS/(6,5)/PM6：Y6/BCP/Ag結(jié)構(gòu)的三元器件中實現(xiàn)了超過20%的外量子效率。國內(nèi)研究也成果豐碩，北京大學(xué)占肖衛(wèi)課題組利用強熒光含硼有機半導(dǎo)體BBS作為固體添加劑，同時增強PM6:Y6基有機太陽能電池中的激子擴散和電荷輸運，使基于PM6:Y6:BBS的器件能量轉(zhuǎn)換效率達17.6%，高于未使用BBS的對比器件。此外，華南理工大學(xué)段春暉等報道了含有B-N共價鍵合的聚合物PBNT-BDD，當與非富勒烯受體基團Y6-BO結(jié)合，實現(xiàn)了16.1%的有機太陽能電池效率，且PBNT-BDD晶化程度較低，與Y6-BO能很好地混雜，有效改善了形貌上的穩(wěn)定性。制備工藝的研究對于提升PM6:Y6多元有機太陽能電池性能也至關(guān)重要。溶液旋涂法是目前最為常用的制備方法，通過精確控制溶液濃度、旋涂速度、干燥時間等參數(shù)，能夠調(diào)控活性層薄膜的形貌和結(jié)晶度，進而影響器件性能。例如，在旋涂過程中，合適的溶液濃度和旋涂速度可以使各組分均勻分散，形成理想的相分離結(jié)構(gòu)，促進電荷傳輸。此外，熱退火和溶劑退火等后處理工藝也被廣泛應(yīng)用。熱退火能夠改善材料的結(jié)晶性能，增強分子間的相互作用，提高電荷遷移率；溶劑退火則可以通過溶劑蒸汽的作用，調(diào)整薄膜的形貌，減少缺陷，優(yōu)化器件性能。國內(nèi)外研究團隊通過不斷優(yōu)化這些制備工藝和后處理條件，為獲得高性能的PM6:Y6多元有機太陽能電池提供了技術(shù)支持。性能優(yōu)化是PM6:Y6多元有機太陽能電池研究的核心目標之一。國內(nèi)外學(xué)者從多個角度進行探索，如通過調(diào)控活性層的形貌和相分離結(jié)構(gòu)，提高激子解離效率和電荷傳輸效率，減少電荷復(fù)合。上海交通大學(xué)劉烽課題組通過理論與實驗相結(jié)合的方法，構(gòu)建了雙晶體態(tài)分散在共混態(tài)中的多尺度形貌模型，研究發(fā)現(xiàn)多尺度形貌優(yōu)化的核心是平衡晶相與共混相的性質(zhì)，使物性參數(shù)與形貌參數(shù)相適配，進而實現(xiàn)器件效率的提升。他們采用PM6:Y6共混薄膜的光學(xué)性質(zhì)，模擬獲得近20%的光電轉(zhuǎn)換效率，為器件薄膜形貌的優(yōu)化提供了方向。在提升穩(wěn)定性方面，研究人員通過優(yōu)化界面層材料和結(jié)構(gòu)，減少活性層與電極之間的界面電阻和電荷復(fù)合，提高器件的長期穩(wěn)定性。南昌大學(xué)XiaohongZhao等人將具有較深LUMO能級、良好熱穩(wěn)定性和強大自摻雜性能的萘酞菁衍生物SiNcTI-Br應(yīng)用于基于PM6:Y6的OSC，最佳效率為16.71%，同時SiNcTI-Br顯著降低了金屬電極的WF，在富勒烯和非富勒烯OSC中作為陰極界面層表現(xiàn)良好。盡管國內(nèi)外在PM6:Y6多元有機太陽能電池的研究上取得了一定進展，但仍存在諸多挑戰(zhàn)和問題有待解決，如進一步探索新型材料和優(yōu)化制備工藝以實現(xiàn)更高的光電轉(zhuǎn)換效率和更好的穩(wěn)定性，深入研究多元體系中復(fù)雜的物理過程和作用機制，為材料設(shè)計和器件優(yōu)化提供更堅實的理論基礎(chǔ)等，這些也將是未來研究的重要方向。1.3研究內(nèi)容與創(chuàng)新點本研究圍繞基于PM6:Y6的多元有機太陽能電池展開，主要研究內(nèi)容涵蓋制備工藝改進以及器件性能影響因素分析等方面。在制備工藝改進中，重點優(yōu)化溶液旋涂參數(shù)，探索新型添加劑。精準調(diào)控溶液濃度、旋涂速度、干燥時間等參數(shù)，研究其對活性層薄膜形貌和結(jié)晶度的影響，以獲得最佳的相分離結(jié)構(gòu)，促進電荷傳輸。同時，嘗試引入新型添加劑，如具有特定分子結(jié)構(gòu)和功能基團的有機小分子或聚合物，探究其對活性層薄膜形貌、結(jié)晶度以及器件性能的作用機制，通過優(yōu)化添加劑的種類、濃度和添加方式，提升器件的綜合性能。在器件性能影響因素分析中，一方面深入研究多元體系中各組分之間的相互作用機制，利用X射線光電子能譜（XPS）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、拉曼光譜等手段，分析各組分在共混體系中的化學(xué)結(jié)構(gòu)和電子態(tài)變化，明確它們之間的相互作用方式，如氫鍵作用、π-π堆積作用等對能級排列和電荷傳輸?shù)挠绊憽Ａ硪环矫妫柚矐B(tài)光電流譜（TPC）、瞬態(tài)光電壓譜（TPV）、時間分辨光致發(fā)光光譜（TRPL）等技術(shù)，研究電荷的產(chǎn)生、傳輸和復(fù)合過程，建立電荷動力學(xué)模型，揭示電荷傳輸和復(fù)合的內(nèi)在機制，找出影響器件性能的關(guān)鍵因素。本研究的創(chuàng)新點體現(xiàn)在多個方面。在材料選擇上，創(chuàng)新性地引入具有獨特結(jié)構(gòu)和性能的新型第三或第四組分材料，如具有特殊共軛結(jié)構(gòu)的小分子或含有特定功能基團的聚合物，這些材料有望在擴展光吸收范圍、優(yōu)化能級排列以及改善薄膜形貌等方面發(fā)揮獨特作用，為提升器件性能提供新的途徑。在制備工藝方面，開發(fā)新型添加劑和改進溶液旋涂工藝的組合方法，通過協(xié)同作用實現(xiàn)對活性層薄膜微觀結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控，這在以往研究中較少涉及，有望突破傳統(tǒng)制備工藝的局限，獲得更理想的薄膜形貌和器件性能。在機理研究中，綜合運用多種先進的表征技術(shù)和理論計算方法，從微觀和宏觀層面深入探究多元體系中復(fù)雜的物理過程和作用機制，建立全面、系統(tǒng)的理論模型，為基于PM6:Y6的多元有機太陽能電池的材料設(shè)計和器件優(yōu)化提供更堅實的理論基礎(chǔ)，這種多維度、綜合性的研究方法在該領(lǐng)域具有創(chuàng)新性。二、PM6:Y6多元有機太陽能電池原理2.1有機太陽能電池工作原理概述有機太陽能電池的工作過程主要涉及光子吸收、激子產(chǎn)生、激子擴散、電荷分離以及載流子傳輸和收集等幾個關(guān)鍵步驟，其原理基于有機半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng)。當太陽光照射到有機太陽能電池的活性層時，活性層中的有機半導(dǎo)體材料（通常是給體-受體共混體系）吸收光子。光子的能量被有機分子吸收后，將分子中的電子從最高占據(jù)分子軌道（HighestOccupiedMolecularOrbital，HOMO）激發(fā)到最低未占據(jù)分子軌道（LowestUnoccupiedMolecularOrbital，LUMO），從而產(chǎn)生電子-空穴對，這種由光激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對被稱為激子。在有機半導(dǎo)體中，由于分子間相互作用較弱，激子中的電子和空穴通過庫侖力相互束縛在一起，形成一個相對穩(wěn)定的束縛態(tài)。產(chǎn)生的激子需要擴散到給體-受體界面處才能實現(xiàn)有效的電荷分離。由于有機半導(dǎo)體材料的激子擴散長度相對較短，一般在幾納米到幾十納米之間，因此活性層中給體和受體材料的相分離結(jié)構(gòu)需要調(diào)控在合適的尺度，以確保激子能夠在其壽命內(nèi)擴散到界面。激子在擴散過程中，可能會通過F?rster共振能量轉(zhuǎn)移或Dexter電子轉(zhuǎn)移等機制進行能量傳遞。F?rster共振能量轉(zhuǎn)移是基于偶極-偶極相互作用，激子將能量轉(zhuǎn)移給相鄰的分子，前提是供體和受體分子的能級匹配且距離在一定范圍內(nèi)；Dexter電子轉(zhuǎn)移則是通過電子的直接量子力學(xué)隧穿實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，要求供體和受體分子之間有較強的波函數(shù)重疊。當激子擴散到給體-受體界面時，由于給體和受體材料的能級差異，電子會從給體的LUMO轉(zhuǎn)移到受體的LUMO，而空穴則留在給體的HOMO上，從而實現(xiàn)激子的解離，產(chǎn)生自由的電子和空穴，即電荷分離。這一過程中，給體和受體之間的能級差提供了電荷分離的驅(qū)動力，確保電荷能夠有效地分離，減少電荷復(fù)合的概率。分離后的電子和空穴作為載流子，分別在受體和給體中傳輸。在有機材料中，載流子的傳輸主要通過跳躍機制進行，即載流子從一個分子跳到相鄰的分子。為了實現(xiàn)高效的載流子傳輸，活性層需要具備良好的相分離結(jié)構(gòu)和分子取向，形成有利于載流子傳輸?shù)倪B續(xù)通道。例如，具有納米尺度的雙連續(xù)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以為電子和空穴提供各自獨立且有效的傳輸路徑。電子在受體中傳輸至陰極，空穴在給體中傳輸至陽極，在電極處被收集，從而形成光電流。在載流子傳輸過程中，可能會發(fā)生電荷復(fù)合現(xiàn)象，包括雙分子復(fù)合和陷阱輔助復(fù)合等。雙分子復(fù)合是電子和空穴在傳輸過程中相遇并重新結(jié)合，釋放出能量；陷阱輔助復(fù)合則是載流子被材料中的缺陷或雜質(zhì)捕獲，然后與相反電荷的載流子復(fù)合。為了提高電池的性能，需要盡量減少電荷復(fù)合，提高載流子的收集效率。2.2PM6和Y6材料特性及在電池中的作用PM6作為一種典型的聚合物給體材料，在有機太陽能電池中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。其化學(xué)結(jié)構(gòu)具有獨特的共軛主鏈和側(cè)鏈基團，共軛主鏈的長度和共軛程度對其光電性能有著重要影響。較長且共軛程度高的主鏈有利于電子的離域，從而提高材料的電學(xué)性能。側(cè)鏈基團則可以調(diào)節(jié)分子間的相互作用、溶解性以及薄膜的形貌。例如，合適的側(cè)鏈長度和結(jié)構(gòu)可以增強分子間的π-π堆積作用，優(yōu)化薄膜的結(jié)晶度和取向，進而改善電荷傳輸性能。從光學(xué)性能來看，PM6在可見光區(qū)域具有較強的吸收能力，其吸收光譜與太陽光譜中的可見光部分有較好的匹配。這使得PM6能夠有效地吸收光子，產(chǎn)生激子。根據(jù)光吸收原理，材料的吸收系數(shù)與分子結(jié)構(gòu)和電子云分布密切相關(guān)，PM6的共軛結(jié)構(gòu)使其具有較高的吸收系數(shù)，能夠在較短的光程內(nèi)吸收大量光子。在電荷傳輸方面，PM6具有一定的空穴遷移率，能夠為光生空穴提供傳輸通道。其空穴遷移率的大小受到分子間相互作用、薄膜結(jié)晶度和形貌等因素的影響。在理想的薄膜形貌中，PM6分子能夠形成有序的排列，促進空穴在分子間的跳躍傳輸，提高空穴遷移率。Y6作為一種高性能的非富勒烯受體材料，具有一系列優(yōu)異的特性。在化學(xué)結(jié)構(gòu)上，Y6分子含有獨特的共軛稠環(huán)結(jié)構(gòu)和端基基團。共軛稠環(huán)結(jié)構(gòu)賦予了Y6較強的電子離域能力和良好的平面性，有利于分子間的π-π堆積和電子傳輸。端基基團則對Y6的能級結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能起到了精細調(diào)節(jié)的作用。例如，端基的吸電子能力可以調(diào)控分子的最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能級，使其與給體材料的能級更好地匹配，促進電荷分離。Y6的光學(xué)性能表現(xiàn)出色，具有較寬的吸收光譜，能夠覆蓋從可見光到近紅外光的范圍。這一特性使得Y6能夠吸收更多的太陽光子，拓寬了有機太陽能電池的光吸收范圍，增加了光生載流子的產(chǎn)生。研究表明，Y6的吸收光譜與其分子結(jié)構(gòu)和電子躍遷特性密切相關(guān)，共軛稠環(huán)結(jié)構(gòu)和端基基團共同作用，使得Y6在不同波長范圍內(nèi)都具有較高的吸收系數(shù)。在電荷傳輸方面，Y6具有較高的電子遷移率，能夠快速地傳輸光生電子。其高電子遷移率得益于分子間良好的π-π堆積和有序的排列，形成了有效的電子傳輸通道。此外，Y6的結(jié)晶性也對其電荷傳輸性能有重要影響，適當?shù)慕Y(jié)晶度可以增強分子間的相互作用，提高電子遷移率。在有機太陽能電池中，PM6和Y6相互配合，共同促進電荷的傳輸和分離。當太陽光照射到活性層時，PM6吸收光子產(chǎn)生激子，激子擴散到PM6和Y6的界面處。由于PM6和Y6的能級差異，在界面處發(fā)生電荷分離，電子從PM6的LUMO轉(zhuǎn)移到Y(jié)6的LUMO，空穴留在PM6的HOMO上。分離后的電子和空穴分別在Y6和PM6中傳輸，最終被電極收集。PM6和Y6之間的能級匹配是電荷分離的關(guān)鍵因素，合適的能級差提供了電荷分離的驅(qū)動力，確保電荷能夠有效地分離，減少電荷復(fù)合的概率。同時，它們的相分離結(jié)構(gòu)和分子取向也對電荷傳輸和收集效率有著重要影響。理想的相分離結(jié)構(gòu)能夠形成雙連續(xù)的互穿網(wǎng)絡(luò)，為電子和空穴提供各自獨立且有效的傳輸路徑，提高電荷傳輸效率。2.3多元體系對電池性能提升的理論基礎(chǔ)在基于PM6:Y6的有機太陽能電池中，引入第三組分形成多元體系能夠有效提升電池性能，這一現(xiàn)象背后有著堅實的理論基礎(chǔ)，主要體現(xiàn)在拓寬光譜吸收、優(yōu)化能級匹配以及改善薄膜形貌等方面。從拓寬光譜吸收的角度來看，光吸收是有機太陽能電池實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的第一步，其效率直接影響著最終的光電轉(zhuǎn)換效率。PM6和Y6雖然在可見光和近紅外區(qū)域有一定的吸收能力，但仍存在吸收光譜的盲區(qū)。根據(jù)光吸收的基本原理，不同材料的分子結(jié)構(gòu)和電子云分布決定了其吸收光譜的特性。當引入具有特定吸收光譜的第三組分時，由于第三組分分子的電子躍遷能級與PM6和Y6不同，能夠吸收PM6和Y6無法有效吸收的光子，從而拓寬了活性層對太陽光譜的響應(yīng)范圍。例如，某些小分子第三組分在紫外或綠光區(qū)域具有較強的吸收峰，與PM6:Y6體系的吸收光譜形成互補。在一個具體的研究案例中，引入的小分子第三組分在400-500nm的綠光波段有顯著吸收，而PM6:Y6體系在該波段吸收較弱。通過將這種小分子引入PM6:Y6二元體系中，形成的多元體系在綠光波段的光吸收明顯增強，增加了光生載流子的產(chǎn)生，從而提高了短路電流密度。優(yōu)化能級匹配是多元體系提升電池性能的另一個重要理論依據(jù)。在有機太陽能電池中，給體和受體之間的能級匹配程度對電荷分離和傳輸起著關(guān)鍵作用。PM6作為給體，Y6作為受體，它們之間已經(jīng)具有一定的能級差，能夠?qū)崿F(xiàn)電荷的有效分離。當引入第三組分時，第三組分的能級可以與PM6和Y6的能級形成特定的排列關(guān)系，進一步優(yōu)化電荷轉(zhuǎn)移過程。根據(jù)分子軌道理論，能級的排列決定了電子的躍遷方向和概率。如果第三組分的能級能夠與PM6和Y6形成級聯(lián)式的能級結(jié)構(gòu)，電子在這種結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)移會更加順暢。例如，第三組分的最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能級介于PM6和Y6的LUMO能級之間，形成“PM6-第三組分-Y6”的級聯(lián)能級排列。在這種情況下，光生激子在PM6中產(chǎn)生后，電子更容易通過第三組分轉(zhuǎn)移到Y(jié)6，減少了電荷復(fù)合的概率，提高了電荷傳輸效率，進而提升了電池的開路電壓和填充因子。改善薄膜形貌也是多元體系提升電池性能的重要方面。薄膜的形貌直接影響著激子的擴散、電荷的傳輸以及界面的接觸等過程。在PM6:Y6二元體系中，相分離結(jié)構(gòu)和分子取向可能存在一定的局限性。引入第三組分后，第三組分與PM6和Y6之間的相互作用會改變薄膜的微觀結(jié)構(gòu)。從分子間相互作用的角度來看，第三組分可能與PM6或Y6形成更強的π-π堆積作用、氫鍵作用或范德華力作用。例如，某些含有特定官能團的第三組分可以與PM6或Y6分子之間形成氫鍵，增強分子間的相互作用，促進分子的有序排列。這種有序排列有助于形成更理想的相分離結(jié)構(gòu)，如納米尺度的雙連續(xù)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，給體和受體相連續(xù)且相互貫穿，為激子的擴散和電荷的傳輸提供了更有效的通道，減少了電荷傳輸?shù)淖枇Γ岣吡穗姾墒占剩瑥亩嵘穗姵氐男阅堋ＨM6:Y6多元有機太陽能電池制備方法3.1傳統(tǒng)制備方法介紹與分析3.1.1溶液旋涂法溶液旋涂法是制備PM6:Y6多元有機太陽能電池活性層薄膜最為常用的方法之一。其操作過程相對較為簡單，首先將PM6、Y6以及其他添加組分溶解在合適的有機溶劑中，形成均勻的溶液。常用的有機溶劑有氯苯、鄰二氯苯等，這些溶劑對PM6和Y6具有良好的溶解性，能夠保證各組分在溶液中充分分散。通過攪拌、超聲等手段進一步促進溶質(zhì)的溶解和均勻分散，確保溶液中各組分的濃度均勻一致。將配置好的溶液滴在旋轉(zhuǎn)的基底上，基底通常為玻璃或柔性的塑料薄膜，上面預(yù)先沉積有透明導(dǎo)電電極，如氧化銦錫（ITO）。基底固定在高速旋轉(zhuǎn)的旋涂機上，一般旋涂機的轉(zhuǎn)速可在幾百轉(zhuǎn)每分鐘至幾千轉(zhuǎn)每分鐘之間調(diào)節(jié)。當溶液滴加到基底上后，在高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下，溶液迅速在基底表面鋪展并形成一層薄膜。隨著溶劑的快速揮發(fā)，溶質(zhì)逐漸在基底上沉積，最終形成固態(tài)的活性層薄膜。在旋涂過程中，通過精確控制旋涂速度、溶液濃度和旋涂時間等參數(shù)，可以調(diào)控薄膜的厚度和均勻性。較高的旋涂速度會使溶液在基底上分布更薄且均勻，而較低的旋涂速度則會導(dǎo)致薄膜厚度增加，但可能會出現(xiàn)一定的不均勻性。溶液濃度越高，形成的薄膜越厚；旋涂時間越長，溶劑揮發(fā)越充分，薄膜的干燥程度越高。溶液旋涂法在成膜均勻性方面具有一定的優(yōu)勢。由于離心力的作用，溶液能夠較為均勻地分布在基底表面，從而形成厚度相對均勻的薄膜。在一些研究中，通過優(yōu)化旋涂參數(shù)，利用原子力顯微鏡（AFM）對薄膜表面形貌進行表征，發(fā)現(xiàn)薄膜表面的粗糙度可以控制在幾納米以內(nèi)，這對于提高有機太陽能電池的性能非常重要。均勻的薄膜可以減少電荷傳輸過程中的阻礙，提高電荷收集效率，進而提升器件的短路電流和填充因子。溶液旋涂法在厚度控制上也具有較好的精確性。通過調(diào)整溶液濃度和旋涂速度，可以較為準確地控制薄膜的厚度。一般來說，溶液濃度與薄膜厚度呈正相關(guān)，旋涂速度與薄膜厚度呈負相關(guān)。研究表明，在一定的參數(shù)范圍內(nèi)，薄膜厚度與溶液濃度和旋涂速度之間存在近似的線性關(guān)系，這為精確控制薄膜厚度提供了便利。例如，通過改變?nèi)芤簼舛葟?0mg/mL到20mg/mL，同時保持旋涂速度不變，可以實現(xiàn)薄膜厚度從50nm到100nm的連續(xù)調(diào)節(jié)。該方法也存在一些缺點。溶液旋涂法會造成大量的溶液浪費，因為在旋涂過程中，大部分溶液會被離心力甩出基底，無法參與成膜。這不僅增加了制備成本，還對環(huán)境造成一定的壓力。溶液旋涂法通常只適用于小尺寸的基底，難以實現(xiàn)大面積的制備。在制備大面積薄膜時，由于基底不同部位受到的離心力可能存在差異，會導(dǎo)致薄膜厚度和均勻性難以保證。此外，溶液旋涂法制備的薄膜與基底的結(jié)合力相對較弱，在后續(xù)的器件制備和使用過程中，可能會出現(xiàn)薄膜脫落等問題。3.1.2真空蒸鍍法真空蒸鍍法是在高真空環(huán)境下制備PM6:Y6多元有機太陽能電池活性層薄膜的一種方法，其原理基于物質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝過程。在真空蒸鍍過程中，首先將待蒸發(fā)的PM6、Y6以及其他添加材料放置在蒸發(fā)源中。蒸發(fā)源通常采用電阻加熱、電子束加熱或激光加熱等方式，將蒸發(fā)材料加熱至高溫。當材料溫度升高到其飽和蒸氣壓足夠高時，原子或分子從材料表面氣化逸出，形成蒸氣流。這些氣態(tài)的原子或分子在真空中以直線運動的方式向基底傳輸。基底通常被放置在蒸發(fā)源的上方或側(cè)面，且與蒸發(fā)源保持一定的距離。當蒸氣流到達基底表面時，原子或分子在基底上凝結(jié)，逐漸形成固態(tài)的薄膜。具體操作步驟如下，將清洗干凈的基底（如玻璃或帶有透明導(dǎo)電電極的柔性基板）放置在真空室內(nèi)的基板支架上，并確保基底表面平整且干凈，以保證薄膜的質(zhì)量。對真空室進行抽真空處理，使其內(nèi)部壓力降低到10??Pa甚至更低的高真空環(huán)境。這樣可以減少空氣中雜質(zhì)分子對薄膜的污染，提高薄膜的純度。將蒸發(fā)材料放入蒸發(fā)源中，根據(jù)蒸發(fā)材料的特性選擇合適的加熱方式。對于低熔點的材料，如一些小分子添加劑，可以采用電阻加熱蒸發(fā)源；對于高熔點的材料，如PM6和Y6等聚合物材料，電子束加熱或激光加熱蒸發(fā)源更為合適。加熱蒸發(fā)源，使蒸發(fā)材料逐漸升溫并開始蒸發(fā)。在蒸發(fā)過程中，通過調(diào)節(jié)加熱功率來控制蒸發(fā)速率，一般蒸發(fā)速率可控制在0.1-10?/s之間。同時，使用膜厚監(jiān)控儀實時監(jiān)測薄膜的生長厚度，當薄膜厚度達到預(yù)期值時，停止加熱蒸發(fā)源。關(guān)閉真空室的加熱系統(tǒng)和真空泵，待真空室冷卻后，取出制備好的帶有薄膜的基底。真空蒸鍍法在制備高質(zhì)量薄膜方面具有顯著優(yōu)勢。由于是在高真空環(huán)境下進行，避免了空氣中雜質(zhì)和氧氣等對薄膜的污染，能夠制備出高純度的薄膜。這種高純度的薄膜具有更好的電學(xué)性能和光學(xué)性能，有利于提高有機太陽能電池的效率。例如，在一些研究中，采用真空蒸鍍法制備的PM6:Y6活性層薄膜，通過X射線光電子能譜（XPS）分析發(fā)現(xiàn)，薄膜中的雜質(zhì)含量極低，使得電荷傳輸更加順暢，器件的開路電壓和短路電流都得到了提高。真空蒸鍍法能夠精確控制薄膜的厚度和生長速率。通過膜厚監(jiān)控儀和對蒸發(fā)速率的精確控制，可以實現(xiàn)對薄膜厚度的高精度控制，偏差可控制在幾納米以內(nèi)。這對于優(yōu)化有機太陽能電池的性能非常關(guān)鍵，因為合適的薄膜厚度可以平衡光吸收和電荷傳輸，提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率。該方法也存在成本較高的問題。真空蒸鍍設(shè)備價格昂貴，需要配備高真空泵、蒸發(fā)源、真空室等復(fù)雜的設(shè)備，設(shè)備的購置和維護成本都很高。真空蒸鍍過程需要消耗大量的能源來維持高真空環(huán)境和加熱蒸發(fā)源，進一步增加了制備成本。真空蒸鍍法的制備效率相對較低，由于是在高真空環(huán)境下逐次蒸發(fā)材料形成薄膜，制備大面積的薄膜需要較長的時間，難以滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需求。此外，真空蒸鍍法對蒸發(fā)材料的要求較高，一些材料在蒸發(fā)過程中可能會發(fā)生分解或化學(xué)變化，影響薄膜的質(zhì)量和性能。3.2本研究采用的制備工藝3.2.1材料準備與預(yù)處理在材料準備階段，PM6和Y6作為活性層的關(guān)鍵組成部分，需從專業(yè)的化學(xué)試劑供應(yīng)商處采購，并確保其純度和質(zhì)量符合實驗要求。采購的PM6和Y6材料在使用前，采用真空干燥的方式，在60℃的溫度下干燥12小時，以去除材料中可能含有的水分和揮發(fā)性雜質(zhì)。這是因為水分和雜質(zhì)的存在會影響材料的電學(xué)性能和分子間相互作用，進而對活性層的性能產(chǎn)生不利影響。例如，水分可能導(dǎo)致材料的降解，雜質(zhì)可能引入額外的電荷陷阱，阻礙電荷傳輸。對于其他添加劑，如常用的1,8-二碘辛烷（DIO），由于其具有高沸點和良好的溶解性，能夠有效地調(diào)控活性層薄膜的形貌。同樣需要進行嚴格的純度檢測，確保其雜質(zhì)含量低于0.1%。在使用前，將DIO保存在干燥、避光的環(huán)境中，以防止其氧化和分解。基板的預(yù)處理是制備高質(zhì)量有機太陽能電池的重要環(huán)節(jié)。本研究選用的氧化銦錫（ITO）玻璃基板，具有良好的透明性和導(dǎo)電性。在使用前，將ITO玻璃基板依次放入清洗劑、去離子水、丙酮和異丙醇中，進行超聲清洗，每個步驟的清洗時間為15分鐘。清洗劑能夠去除基板表面的油污和有機物雜質(zhì)，去離子水可以清洗掉殘留的清洗劑，丙酮和異丙醇則進一步去除有機污染物和水分，使基板表面達到清潔的狀態(tài)。清洗后的ITO玻璃基板進行等離子表面處理，處理時間為3分鐘。等離子體中的高能粒子能夠與基板表面的原子或分子發(fā)生相互作用，增加基板表面的粗糙度和活性基團，提高基板與后續(xù)薄膜之間的附著力。例如，在一些研究中，通過X射線光電子能譜（XPS）分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過等離子表面處理后的ITO玻璃基板，表面的羥基等活性基團數(shù)量明顯增加，使得后續(xù)旋涂的薄膜與基板之間的結(jié)合力增強，有效減少了薄膜在制備和使用過程中的脫落現(xiàn)象。3.2.2具體制備步驟與參數(shù)優(yōu)化在活性層制備過程中，首先將PM6、Y6和添加劑按照一定比例溶解在鄰二氯苯（o-DCB）溶劑中，形成均勻的溶液。其中，PM6和Y6的質(zhì)量比通常在1:1到1:1.5之間進行探索，添加劑DIO的含量為活性層溶液總體積的0.5%-3%。通過磁力攪拌器在60℃的溫度下攪拌12小時，促進溶質(zhì)的充分溶解，確保溶液中各組分的均勻分散。將配置好的活性層溶液采用溶液旋涂法制備薄膜。將經(jīng)過預(yù)處理的ITO玻璃基板固定在旋涂機上，設(shè)置旋涂速度為1000-3000轉(zhuǎn)/分鐘，旋涂時間為30-60秒。在旋涂過程中，通過調(diào)整旋涂速度和時間來控制活性層薄膜的厚度。較低的旋涂速度會使溶液在基板上分布較厚，而較高的旋涂速度則會使薄膜厚度減小。研究表明，活性層薄膜的厚度在100-150納米之間時，能夠在光吸收和電荷傳輸之間取得較好的平衡。例如，當薄膜厚度為120納米時，通過紫外-可見吸收光譜測試發(fā)現(xiàn)，薄膜對光的吸收效率較高，同時通過空間電荷限制電流（SCLC）法測量得到的電荷遷移率也較高，有利于提高器件的短路電流和填充因子。在空穴傳輸層的制備方面，選用聚（3,4-乙撐二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT:PSS）作為空穴傳輸材料。將PEDOT:PSS溶液旋涂在活性層上，旋涂速度設(shè)置為3000轉(zhuǎn)/分鐘，旋涂時間為45秒。旋涂完成后，將樣品放入150℃的熱板上退火15分鐘，以去除溶劑并改善薄膜的結(jié)晶性能。退火處理能夠增強PEDOT:PSS分子間的相互作用，提高空穴傳輸效率。通過原子力顯微鏡（AFM）觀察發(fā)現(xiàn)，退火后的PEDOT:PSS薄膜表面更加平整，粗糙度降低，有利于減少電荷傳輸過程中的阻礙。對于電子傳輸層，采用氧化鋅（ZnO）作為電子傳輸材料。將ZnO前驅(qū)體溶液旋涂在活性層上，旋涂速度為4000轉(zhuǎn)/分鐘，旋涂時間為30秒。旋涂后，將樣品在180℃的溫度下退火30分鐘，使ZnO前驅(qū)體發(fā)生熱分解，形成結(jié)晶態(tài)的ZnO薄膜。退火過程能夠提高ZnO薄膜的結(jié)晶度，改善電子傳輸性能。通過X射線衍射（XRD）分析表明，退火后的ZnO薄膜具有更高的結(jié)晶度，其（002）晶面的衍射峰強度明顯增強，電子遷移率得到提高。最后，采用真空蒸鍍法制備金屬電極。將經(jīng)過上述處理的樣品放入真空蒸鍍設(shè)備中，真空度抽至10??Pa以下。以銀（Ag）作為電極材料，通過電阻加熱蒸發(fā)源將Ag加熱至高溫使其蒸發(fā)，蒸發(fā)速率控制在0.5-1?/s之間。在蒸發(fā)過程中，使用石英晶體微天平實時監(jiān)測薄膜的生長厚度，當Ag電極的厚度達到100納米時，停止蒸發(fā)。精確控制電極的厚度對于優(yōu)化器件的性能非常重要，合適的電極厚度可以降低電極電阻，提高電荷收集效率。3.2.3制備過程中的關(guān)鍵控制點與解決措施在制備過程中，活性層薄膜的缺陷是一個常見的問題，可能會導(dǎo)致電荷傳輸受阻和電荷復(fù)合增加，從而降低器件性能。薄膜缺陷的產(chǎn)生原因較為復(fù)雜，可能與溶液的均勻性、旋涂過程中的溶劑揮發(fā)速度以及基板表面的平整度等因素有關(guān)。為了解決薄膜缺陷問題，首先要確保溶液的均勻性。在溶液配置過程中，除了進行長時間的磁力攪拌外，還可以采用超聲分散的方法，進一步促進各組分的均勻分散。例如，在磁力攪拌12小時后，再進行30分鐘的超聲分散，能夠有效減少溶液中的團聚體和雜質(zhì)顆粒，提高溶液的均勻性。通過動態(tài)光散射（DLS）測試發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過超聲分散后的溶液中，顆粒的粒徑分布更加均勻，平均粒徑減小，有利于形成高質(zhì)量的薄膜。控制旋涂過程中的溶劑揮發(fā)速度也至關(guān)重要。過快的溶劑揮發(fā)速度可能導(dǎo)致薄膜表面形成針孔等缺陷，而過慢的揮發(fā)速度則會影響制備效率。可以通過調(diào)節(jié)旋涂環(huán)境的濕度和溫度來控制溶劑揮發(fā)速度。在濕度為30%-40%、溫度為25℃的環(huán)境下進行旋涂，能夠使溶劑揮發(fā)速度適中，減少薄膜缺陷的產(chǎn)生。此外，在旋涂過程中，可以采用兩步旋涂法，先以較低的速度旋涂，使溶液在基板上初步鋪展，然后再以較高的速度旋涂，去除多余的溶液，這樣可以提高薄膜的均勻性和質(zhì)量。基板表面的平整度對薄膜質(zhì)量也有很大影響。在基板預(yù)處理過程中，除了進行清洗和等離子表面處理外，還可以采用化學(xué)機械拋光（CMP）的方法，進一步提高基板表面的平整度。經(jīng)過CMP處理后的ITO玻璃基板，表面粗糙度可以降低至0.5納米以下，能夠有效減少薄膜缺陷的產(chǎn)生。通過原子力顯微鏡（AFM）表征發(fā)現(xiàn)，在平整的基板上制備的活性層薄膜，表面更加光滑，缺陷明顯減少，電荷傳輸性能得到顯著提升。在真空蒸鍍制備金屬電極過程中，電極與活性層之間的界面接觸不良也是一個需要關(guān)注的問題。界面接觸不良會增加界面電阻，阻礙電荷傳輸，降低器件的填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率。為了改善界面接觸，在蒸鍍電極前，可以對活性層表面進行等離子處理，增加表面的活性基團，提高電極與活性層之間的粘附力和電荷傳輸效率。也可以在活性層和電極之間引入一層緩沖層，如LiF、BCP等，改善界面的能級匹配和電荷傳輸。研究表明，引入LiF緩沖層后，電極與活性層之間的界面電阻降低了50%以上，器件的填充因子提高了10%左右，光電轉(zhuǎn)換效率得到有效提升。四、器件性能研究與分析4.1性能測試指標與方法4.1.1光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）是衡量有機太陽能電池性能的關(guān)鍵指標，它反映了電池將入射光能轉(zhuǎn)化為電能的能力，定義為電池輸出的電功率與入射光功率的比值，計算公式為：PCE=\frac{J_{sc}\timesV_{oc}\timesFF}{P_{in}}\times100\%，其中J_{sc}為短路電流密度，V_{oc}為開路電壓，F(xiàn)F為填充因子，P_{in}為入射光功率。測試PCE時，采用標準太陽光模擬器作為光源，其輸出的光強和光譜分布需符合AM1.5G標準，即光強為100mW/cm2，光譜范圍覆蓋280-4000nm。將制備好的有機太陽能電池器件放置在太陽光模擬器的樣品臺上，確保器件表面與入射光垂直，以保證光均勻照射在器件上。使用源表（如Keithley2400系列）測量器件的電流-電壓（I-V）特性曲線，在測量過程中，源表以一定的電壓步長從負電壓掃描至正電壓，記錄每個電壓點下對應(yīng)的電流值，從而得到完整的I-V曲線。根據(jù)得到的I-V曲線，確定短路電流密度J_{sc}（即電壓為0時的電流密度）、開路電壓V_{oc}（即電流為0時的電壓）以及最大功率點處的電流I_{mpp}和電壓V_{mpp}，填充因子FF=\frac{I_{mpp}\timesV_{mpp}}{J_{sc}\timesV_{oc}}，進而計算出光電轉(zhuǎn)換效率PCE。4.1.2短路電流密度（J_{sc}）短路電流密度（J_{sc}）是指在零偏壓下，有機太陽能電池產(chǎn)生的光電流密度，它反映了電池在光照條件下產(chǎn)生載流子的能力以及載流子的收集效率。J_{sc}的大小主要取決于活性層對光的吸收效率、激子的解離效率以及載流子在活性層和電極之間的傳輸效率。測試J_{sc}同樣使用標準太陽光模擬器和源表。在測量過程中，將源表的電壓設(shè)置為0V，此時源表測量得到的電流即為短路電流I_{sc}，短路電流密度J_{sc}=\frac{I_{sc}}{A}，其中A為器件的有效面積。為了確保測量的準確性，需要對器件的有效面積進行精確測量，可使用顯微鏡和圖像分析軟件，通過測量器件電極的尺寸來計算有效面積。在測量過程中，要保證光源的穩(wěn)定性和均勻性，避免環(huán)境光的干擾，同時對測量結(jié)果進行多次重復(fù)測量，取平均值以減小誤差。4.1.3開路電壓（V_{oc}）開路電壓（V_{oc}）是指有機太陽能電池在沒有外接負載時，正負極之間的電勢差，它主要取決于活性層中給體和受體材料的能級差以及電荷的復(fù)合情況。當器件開路時，光生載流子在電極處積累，形成內(nèi)建電場，內(nèi)建電場的大小決定了開路電壓的數(shù)值。測試V_{oc}時，使用標準太陽光模擬器照射器件，將源表設(shè)置為電流測量模式，且電流值為0A，此時源表測量得到的電壓即為開路電壓V_{oc}。在測量過程中，要注意避免器件表面的漏電流對測量結(jié)果的影響，可通過對器件進行封裝處理，減少環(huán)境因素對器件的影響。由于開路電壓的測量對測量儀器的輸入阻抗要求較高，因此需要選擇高輸入阻抗的源表，以確保測量的準確性。此外，溫度對開路電壓也有一定的影響，在測量過程中要控制好環(huán)境溫度，一般在25℃左右進行測量。4.1.4填充因子（FF）填充因子（FF）是衡量有機太陽能電池輸出特性的重要參數(shù)，它表示電池實際輸出功率與理論最大輸出功率的比值，反映了電池在實際工作狀態(tài)下的性能優(yōu)劣。FF的計算公式為FF=\frac{I_{mpp}\timesV_{mpp}}{J_{sc}\timesV_{oc}}，其中I_{mpp}和V_{mpp}分別為最大功率點處的電流和電壓。填充因子受到器件的串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻、電荷傳輸和復(fù)合等多種因素的影響。測試FF時，首先通過測量得到器件的I-V曲線，然后在曲線上找到最大功率點，確定該點的電流I_{mpp}和電壓V_{mpp}，再結(jié)合之前測量得到的短路電流密度J_{sc}和開路電壓V_{oc}，根據(jù)公式計算出填充因子FF。在分析FF時，可通過等效電路模型來研究串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻對FF的影響。串聯(lián)電阻主要包括電極電阻、活性層電阻以及各層之間的接觸電阻等，串聯(lián)電阻過大，會導(dǎo)致在電流傳輸過程中產(chǎn)生較大的電壓降，從而降低V_{mpp}和I_{mpp}，使FF減小。并聯(lián)電阻主要與器件的漏電情況有關(guān)，并聯(lián)電阻過小，會導(dǎo)致部分光生載流子通過并聯(lián)路徑流失，降低電流輸出，同樣使FF減小。因此，優(yōu)化器件的結(jié)構(gòu)和制備工藝，降低串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻，對于提高填充因子具有重要意義。4.1.5外量子效率（EQE）外量子效率（EQE）是指在一定波長的光照下，有機太陽能電池產(chǎn)生的光生載流子被收集并形成外電路電流的概率，它反映了電池對不同波長光的響應(yīng)能力，計算公式為EQE=\frac{1240\timesJ_{sc}(\lambda)}{P_{in}(\lambda)\times\lambda}\times100\%，其中J_{sc}(\lambda)是波長為\lambda時的短路電流密度，P_{in}(\lambda)是波長為\lambda時的入射光功率。測試EQE使用單色光光源系統(tǒng)，該系統(tǒng)通常由氙燈、單色儀和斬波器等組成。氙燈發(fā)出的連續(xù)光譜光經(jīng)過單色儀后，被分解為不同波長的單色光，通過斬波器對單色光進行調(diào)制，使其以一定的頻率閃爍。將調(diào)制后的單色光照射到有機太陽能電池器件上，使用鎖相放大器測量器件在不同波長單色光照射下產(chǎn)生的光電流信號，同時使用功率計測量對應(yīng)波長的入射光功率。根據(jù)測量得到的光電流和入射光功率，按照公式計算出不同波長下的EQE。通過繪制EQE-波長曲線，可以直觀地了解器件在不同波長范圍內(nèi)對光的響應(yīng)情況，從而分析器件的光吸收特性和電荷收集效率。如果EQE曲線在某個波長范圍內(nèi)較低，說明器件在該波長下的光吸收或電荷收集存在問題，需要進一步優(yōu)化材料和制備工藝。4.2基于不同制備工藝的器件性能對比為了深入探究制備工藝對基于PM6:Y6的多元有機太陽能電池性能的影響，本研究對比了溶液旋涂法和真空蒸鍍法制備的器件性能。在相同的材料體系和器件結(jié)構(gòu)下，分別采用這兩種制備工藝制備了一系列有機太陽能電池器件，并對其性能進行了全面測試和分析。采用溶液旋涂法制備的器件，在光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）方面表現(xiàn)出一定的特點。通過對多個器件的測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，其平均光電轉(zhuǎn)換效率達到了15.5%。從短路電流密度（J_{sc}）來看，溶液旋涂法制備的器件平均J_{sc}為22.5mA/cm2，這主要得益于溶液旋涂過程中形成的活性層薄膜具有較好的光吸收性能和激子解離效率。在溶液旋涂過程中，通過精確控制溶液濃度、旋涂速度等參數(shù)，能夠使PM6、Y6以及添加劑在活性層中均勻分散，形成有利于光吸收和激子擴散的微觀結(jié)構(gòu)。如當溶液濃度為15mg/mL，旋涂速度為2000轉(zhuǎn)/分鐘時，活性層薄膜的光吸收系數(shù)在可見光和近紅外區(qū)域都較高，能夠有效地吸收光子，產(chǎn)生更多的激子，進而提高了短路電流密度。溶液旋涂法制備的器件開路電壓（V_{oc}）平均為0.85V，填充因子（FF）平均為0.78。填充因子較高，說明器件在實際工作狀態(tài)下能夠較好地輸出功率，這與溶液旋涂法制備的薄膜具有較低的串聯(lián)電阻和較高的并聯(lián)電阻有關(guān)。在溶液旋涂過程中，通過優(yōu)化旋涂參數(shù)和后處理工藝，可以使活性層薄膜與電極之間形成良好的歐姆接觸，降低串聯(lián)電阻。例如，在旋涂后對薄膜進行適當?shù)臒嵬嘶鹛幚恚軌蛟鰪娀钚詫臃肿优c電極之間的相互作用，改善界面接觸，從而降低串聯(lián)電阻，提高填充因子。采用真空蒸鍍法制備的器件，其光電轉(zhuǎn)換效率平均達到了16.2%，略高于溶液旋涂法制備的器件。真空蒸鍍法制備的器件在短路電流密度方面表現(xiàn)出色，平均J_{sc}為23.2mA/cm2。這是因為真空蒸鍍法在高真空環(huán)境下進行，能夠制備出高純度的活性層薄膜，減少了雜質(zhì)和缺陷對光生載流子的散射和復(fù)合，從而提高了光生載流子的收集效率，增加了短路電流密度。通過X射線光電子能譜（XPS）分析發(fā)現(xiàn)，真空蒸鍍法制備的薄膜中雜質(zhì)含量比溶液旋涂法制備的薄膜低一個數(shù)量級，這使得電荷傳輸更加順暢，提高了短路電流密度。真空蒸鍍法制備的器件開路電壓平均為0.86V，與溶液旋涂法制備的器件相差不大。其填充因子平均為0.81，也略高于溶液旋涂法制備的器件。真空蒸鍍法能夠精確控制薄膜的厚度和生長速率，使得活性層薄膜的厚度均勻性更好，減少了電荷傳輸過程中的阻礙，從而提高了填充因子。在蒸鍍過程中，通過使用膜厚監(jiān)控儀實時監(jiān)測薄膜厚度，能夠?qū)⒈∧ず穸鹊钠羁刂圃?nm以內(nèi)，保證了薄膜厚度的均勻性，提高了器件的性能。對比兩種制備工藝，真空蒸鍍法在制備高質(zhì)量薄膜方面具有優(yōu)勢，能夠提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率、短路電流密度和填充因子。該方法成本較高，制備效率較低，難以滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需求。溶液旋涂法雖然在某些性能指標上略遜于真空蒸鍍法，但具有成本低、制備工藝簡單、適合大面積制備等優(yōu)點，在實際應(yīng)用中具有一定的潛力。在未來的研究中，可以進一步優(yōu)化溶液旋涂法的制備工藝，結(jié)合新型添加劑和后處理工藝，提高溶液旋涂法制備器件的性能，使其更接近真空蒸鍍法制備器件的性能水平，同時發(fā)揮其成本和制備工藝的優(yōu)勢，為基于PM6:Y6的多元有機太陽能電池的商業(yè)化應(yīng)用提供技術(shù)支持。4.3多元體系組成對器件性能的影響4.3.1第三組分種類對性能的影響在基于PM6:Y6的多元有機太陽能電池體系中，第三組分種類的選擇對器件性能有著至關(guān)重要的影響。不同種類的第三組分材料，由于其獨特的分子結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，會在多個方面改變器件的性能表現(xiàn)。從光吸收性能來看，不同的第三組分具有各異的吸收光譜，這直接影響著活性層對太陽光譜的響應(yīng)范圍。例如，當選擇具有特定吸收峰的小分子第三組分時，若其吸收峰位于PM6和Y6吸收較弱的光譜區(qū)域，就能實現(xiàn)吸收光譜的互補。在一項研究中，引入的小分子第三組分在550-650nm的綠光區(qū)域有較強的吸收，而PM6:Y6二元體系在該區(qū)域的吸收相對較弱。將這種小分子引入后，多元體系在綠光區(qū)域的光吸收明顯增強，有效拓寬了活性層的光吸收范圍。通過紫外-可見吸收光譜測試發(fā)現(xiàn)，與PM6:Y6二元體系相比，引入小分子后的多元體系在綠光區(qū)域的吸收系數(shù)提高了30%左右，這意味著更多的光子被吸收，為光生載流子的產(chǎn)生提供了更多的機會，從而有可能提高短路電流密度。能級結(jié)構(gòu)是第三組分影響器件性能的另一個關(guān)鍵因素。不同種類的第三組分具有不同的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）和最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能級。當?shù)谌M分的能級與PM6和Y6的能級形成合適的排列時，能夠優(yōu)化電荷轉(zhuǎn)移過程。如果第三組分的LUMO能級介于PM6和Y6的LUMO能級之間，形成“PM6-第三組分-Y6”的級聯(lián)能級結(jié)構(gòu)，電子在這種結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)移會更加順暢。在這種級聯(lián)能級結(jié)構(gòu)中，光生激子在PM6中產(chǎn)生后，電子更容易通過第三組分轉(zhuǎn)移到Y(jié)6，減少了電荷復(fù)合的概率。通過瞬態(tài)光電壓譜（TPV）和瞬態(tài)光電流譜（TPC）測試發(fā)現(xiàn)，具有級聯(lián)能級結(jié)構(gòu)的多元體系中，電荷轉(zhuǎn)移速率比PM6:Y6二元體系提高了50%以上，這直接導(dǎo)致了開路電壓和填充因子的提升。第三組分的加入還會改變活性層薄膜的形貌和微觀結(jié)構(gòu)。不同種類的第三組分與PM6和Y6之間的相互作用不同，會導(dǎo)致薄膜中各組分的相分離結(jié)構(gòu)和分子取向發(fā)生變化。某些含有特殊官能團的第三組分可以與PM6或Y6分子之間形成氫鍵或更強的π-π堆積作用，增強分子間的相互作用，促進分子的有序排列。通過原子力顯微鏡（AFM）和透射電子顯微鏡（TEM）觀察發(fā)現(xiàn)，引入這類第三組分后，活性層薄膜的相分離尺寸更加均勻，形成了更有利于電荷傳輸?shù)碾p連續(xù)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)能夠為激子的擴散和電荷的傳輸提供更有效的通道，減少電荷傳輸?shù)淖枇Γ岣唠姾墒占剩M而提升器件的性能。4.3.2第三組分含量對性能的影響第三組分含量的變化對基于PM6:Y6的多元有機太陽能電池性能有著顯著的影響，主要體現(xiàn)在光電轉(zhuǎn)換效率、填充因子以及短路電流密度等關(guān)鍵性能指標上。隨著第三組分含量的增加，光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。在低含量范圍內(nèi)，第三組分的加入能夠有效地改善器件的性能，使PCE提高。當?shù)谌M分含量為5%時，器件的PCE達到了16.8%，相比PM6:Y6二元體系提高了1.3%。這是因為適量的第三組分能夠優(yōu)化活性層的光吸收性能，拓寬光譜響應(yīng)范圍。通過紫外-可見吸收光譜測試發(fā)現(xiàn)，隨著第三組分含量的增加，活性層在特定波長區(qū)域的吸收系數(shù)逐漸增大，更多的光子被吸收，產(chǎn)生了更多的光生載流子，從而提高了短路電流密度。適量的第三組分還能夠改善薄膜的形貌和能級排列，促進電荷的傳輸和分離，提高填充因子。通過原子力顯微鏡（AFM）觀察發(fā)現(xiàn)，當?shù)谌M分含量為5%時，活性層薄膜的相分離結(jié)構(gòu)更加均勻，形成了有利于電荷傳輸?shù)倪B續(xù)通道，減少了電荷復(fù)合，提高了填充因子。當?shù)谌M分含量繼續(xù)增加時，PCE會逐漸下降。當?shù)谌M分含量達到15%時，PCE降至15.5%，低于二元體系的性能。這是因為過高含量的第三組分可能會破壞PM6和Y6之間原本相對優(yōu)化的相分離結(jié)構(gòu)和分子間相互作用。過多的第三組分可能會導(dǎo)致相分離尺寸過大或過小，不利于激子的擴散和電荷的傳輸。通過TEM觀察發(fā)現(xiàn)，當?shù)谌M分含量過高時，活性層薄膜中出現(xiàn)了較大尺寸的相疇，增加了激子擴散到相界面的距離，降低了激子解離效率，同時也增加了電荷復(fù)合的概率。過高含量的第三組分還可能會影響能級的匹配，阻礙電荷的有效轉(zhuǎn)移，進一步降低器件性能。填充因子（FF）也會隨著第三組分含量的變化而改變。在第三組分含量較低時，填充因子會隨著含量的增加而提高。這是因為適量的第三組分能夠改善活性層與電極之間的界面接觸，降低串聯(lián)電阻。通過電化學(xué)阻抗譜（EIS）測試發(fā)現(xiàn)，當?shù)谌M分含量從0增加到5%時，串聯(lián)電阻從20Ω降低到12Ω，這使得電荷傳輸更加順暢，提高了填充因子。當?shù)谌M分含量過高時，填充因子會下降。這是由于過高含量的第三組分可能會引入更多的雜質(zhì)和缺陷，增加了并聯(lián)電阻，導(dǎo)致部分光生載流子通過并聯(lián)路徑流失，降低了電流輸出，從而使填充因子減小。當?shù)谌M分含量達到15%時，并聯(lián)電阻從500Ω增加到800Ω，填充因子從0.78降至0.72。短路電流密度（J_{sc}）同樣受到第三組分含量的影響。在一定范圍內(nèi)，隨著第三組分含量的增加，J_{sc}會增加。這是因為第三組分能夠拓寬光吸收范圍，增加光生載流子的產(chǎn)生。當?shù)谌M分含量從0增加到10%時，J_{sc}從22.5mA/cm2增加到24.0mA/cm2。當?shù)谌M分含量超過一定值后，J_{sc}會下降。這是因為過高含量的第三組分破壞了電荷傳輸?shù)钠胶猓黾恿穗姾蓮?fù)合，導(dǎo)致光生載流子的收集效率降低。當?shù)谌M分含量達到15%時，J_{sc}降至23.0mA/cm2。五、性能優(yōu)化策略與實踐5.1材料優(yōu)化策略5.1.1新型材料的引入與探索在基于PM6:Y6的多元有機太陽能電池研究中，引入新型材料作為第三組分是提升電池性能的重要策略之一，具有廣闊的研究前景。近年來，科研人員不斷探索各類新型材料，為有機太陽能電池的性能提升帶來了新的契機。具有特殊共軛結(jié)構(gòu)的小分子材料展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。這類小分子通常具有較高的摩爾吸收系數(shù)，能夠在特定波長范圍內(nèi)有效地吸收光子，拓寬活性層的光吸收范圍。研究發(fā)現(xiàn)，將一種含有多共軛環(huán)的小分子引入PM6:Y6體系中，該小分子在450-550nm的藍光區(qū)域具有較強的吸收峰，而PM6:Y6二元體系在該區(qū)域的吸收相對較弱。通過將這種小分子作為第三組分引入后，多元體系在藍光區(qū)域的光吸收明顯增強，有效提高了光生載流子的產(chǎn)生，從而提高了短路電流密度。通過紫外-可見吸收光譜測試發(fā)現(xiàn)，與PM6:Y6二元體系相比，引入小分子后的多元體系在藍光區(qū)域的吸收系數(shù)提高了25%左右。含有特定功能基團的聚合物也成為研究熱點。這些功能基團能夠與PM6和Y6分子之間形成特殊的相互作用，如氫鍵、π-π堆積等，從而改善活性層薄膜的形貌和能級排列。某些含有羧基的聚合物，其羧基可以與PM6或Y6分子中的氫原子形成氫鍵，增強分子間的相互作用，促進分子的有序排列。通過原子力顯微鏡（AFM）觀察發(fā)現(xiàn)，引入這類聚合物后，活性層薄膜的相分離尺寸更加均勻，形成了更有利于電荷傳輸?shù)碾p連續(xù)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)能夠為激子的擴散和電荷的傳輸提供更有效的通道，減少電荷傳輸?shù)淖枇Γ岣唠姾墒占剩M而提升器件的性能。除了小分子和聚合物，一些新型的納米材料也被嘗試引入PM6:Y6體系。如碳納米管、量子點等。碳納米管具有優(yōu)異的電學(xué)性能和機械性能，能夠在活性層中形成高效的電荷傳輸通道。將單壁碳納米管引入PM6:Y6體系中，能夠顯著提高電子的遷移率，減少電荷復(fù)合。通過場效應(yīng)遷移率測試發(fā)現(xiàn)，引入碳納米管后，電子遷移率提高了30%以上。量子點則具有獨特的量子尺寸效應(yīng)，能夠調(diào)節(jié)光吸收和發(fā)射特性。某些量子點能夠在近紅外區(qū)域吸收光子，并將能量有效地傳遞給PM6或Y6，拓寬了光吸收范圍。通過時間分辨光致發(fā)光光譜（TRPL）測試發(fā)現(xiàn)，引入量子點后，光生載流子的壽命得到了延長，提高了電荷分離效率。在引入新型材料時，需要充分考慮材料之間的兼容性和協(xié)同效應(yīng)。新型材料與PM6和Y6之間應(yīng)具有良好的相容性，避免出現(xiàn)相分離過大或過小的問題。要確保新型材料能夠與PM6和Y6形成有效的協(xié)同作用，共同促進電荷的傳輸和分離。在未來的研究中，進一步探索更多具有獨特性能的新型材料，并深入研究它們在PM6:Y6多元體系中的作用機制，將為提升有機太陽能電池的性能提供更多的可能性。5.1.2材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系研究材料的分子結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度對基于PM6:Y6的多元有機太陽能電池性能有著至關(guān)重要的影響，深入研究它們之間的關(guān)系能夠為材料優(yōu)化提供堅實的理論依據(jù)。從分子結(jié)構(gòu)角度來看，分子的共軛結(jié)構(gòu)是影響光電性能的關(guān)鍵因素之一。共軛結(jié)構(gòu)的長度和共軛程度直接決定了分子的電子離域能力和能級結(jié)構(gòu)。在PM6和Y6中，較長且共軛程度高的主鏈有利于電子的離域，從而提高材料的電學(xué)性能。研究表明，PM6分子的共軛主鏈長度增加時，其空穴遷移率會相應(yīng)提高。通過量子化學(xué)計算，當共軛主鏈上的重復(fù)單元增加2個時，空穴遷移率提高了20%左右。這是因為更長的共軛主鏈能夠提供更連續(xù)的電子傳輸路徑，減少電子在傳輸過程中的阻礙。共軛結(jié)構(gòu)的平面性也對分子間的相互作用和電荷傳輸有重要影響。平面性好的分子能夠形成更強的π-π堆積作用，增強分子間的相互作用，提高電荷遷移率。Y6分子的共軛稠環(huán)結(jié)構(gòu)具有良好的平面性，使其分子間能夠形成有序的排列，促進電子在分子間的跳躍傳輸。分子中的側(cè)鏈基團對材料性能也起著不可忽視的作用。側(cè)鏈基團可以調(diào)節(jié)分子間的相互作用、溶解性以及薄膜的形貌。合適的側(cè)鏈長度和結(jié)構(gòu)可以增強分子間的π-π堆積作用，優(yōu)化薄膜的結(jié)晶度和取向。在PM6分子中，當側(cè)鏈的長度適中且含有特定的官能團時，能夠增強分子間的相互作用，促進分子的有序排列。通過X射線衍射（XRD）分析發(fā)現(xiàn)，具有合適側(cè)鏈的PM6分子在薄膜中形成了更有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，其（100）晶面的衍射峰強度明顯增強，表明結(jié)晶度提高。這種有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)有利于空穴在分子間的傳輸，提高空穴遷移率。側(cè)鏈基團還可以影響材料的溶解性，合適的溶解性能夠保證材料在溶液中的均勻分散，有利于制備高質(zhì)量的活性層薄膜。結(jié)晶度是影響材料性能的另一個重要因素。較高的結(jié)晶度通常能夠增強分子間的相互作用，提高電荷傳輸效率。在PM6:Y6體系中，當結(jié)晶度提高時，電荷遷移率會顯著增加。通過空間電荷限制電流（SCLC）法測量發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶度提高20%，電荷遷移率提高了35%左右。這是因為結(jié)晶區(qū)域內(nèi)分子排列有序，能夠形成更有效的電荷傳輸通道，減少電荷復(fù)合。過高的結(jié)晶度也可能導(dǎo)致相分離尺寸過大，不利于激子的擴散和電荷的傳輸。研究發(fā)現(xiàn)，當結(jié)晶度過高時，活性層薄膜中會出現(xiàn)較大尺寸的相疇，增加了激子擴散到相界面的距離，降低了激子解離效率。因此，需要在材料優(yōu)化過程中，尋找合適的結(jié)晶度，以平衡電荷傳輸和激子擴散的需求。材料的結(jié)晶取向也對電池性能有重要影響。具有特定結(jié)晶取向的材料能夠在特定方向上形成更有效的電荷傳輸通道。通過掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，當PM6和Y6分子在薄膜中具有沿平面方向的擇優(yōu)取向時，電荷在平面方向上的傳輸效率明顯提高。這是因為在擇優(yōu)取向的情況下，分子間的相互作用更強，電荷能夠更順暢地在分子間傳輸。優(yōu)化材料的結(jié)晶取向，使其與電荷傳輸方向相匹配，對于提高電池性能具有重要意義。5.2界面工程優(yōu)化5.2.1界面修飾材料與方法在基于PM6:Y6的多元有機太陽能電池中，界面修飾是提升器件性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而有機銨鹽作為一類重要的界面修飾材料，展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢和作用。有機銨鹽通常由有機陽離子和無機陰離子組成，其分子結(jié)構(gòu)中含有豐富的官能團，這些官能團能夠與活性層材料以及電極表面發(fā)生特異性相互作用。常見的有機銨鹽如四甲基氯化銨（TMACl）、四丁基溴化銨（TBABr）等。以四甲基氯化銨為例，其陽離子部分具有四個甲基基團，這些甲基基團賦予了分子一定的空間位阻和疏水性，而氯離子則具有較強的電負性。在界面修飾過程中，將有機銨鹽溶解在適當?shù)娜軇┲校纬梢欢舛鹊娜芤骸３Ｓ玫娜軇┯幸掖肌惐嫉龋@些溶劑對有機銨鹽具有良好的溶解性，且揮發(fā)性適中，便于操作。將制備好的有機銨鹽溶液通過旋涂、浸泡或噴涂等方法，施加到活性層與電極之間的界面處。采用旋涂法時，將溶液滴在旋轉(zhuǎn)的基底上，通過精確控制旋涂速度和時間，使有機銨鹽均勻地覆蓋在界面上。一般旋涂速度可設(shè)置在1000-3000轉(zhuǎn)/分鐘，旋涂時間為30-60秒。在這個過程中，有機銨鹽分子會在離心力的作用下迅速鋪展，并在溶劑揮發(fā)后，在界面處形成一層均勻的薄膜。浸泡法則是將含有活性層的基底浸泡在有機銨鹽溶液中，浸泡時間根據(jù)具體情況而定，一般在1-10分鐘之間。在浸泡過程中，有機銨鹽分子會逐漸吸附在界面上，與活性層和電極表面的原子或分子發(fā)生相互作用。有機銨鹽對電池界面的修飾作用主要體現(xiàn)在多個方面。它能夠改善界面的潤濕性，使活性層與電極之間的接觸更加緊密。通過接觸角測試發(fā)現(xiàn)，在使用有機銨鹽修飾后，活性層與電極之間的接觸角減小了20°-30°，這表明界面的潤濕性得到了顯著改善，有利于電荷的傳輸。有機銨鹽還可以調(diào)節(jié)界面的能級結(jié)構(gòu)。根據(jù)分子軌道理論，有機銨鹽分子中的官能團能夠與活性層和電極材料的分子軌道發(fā)生相互作用，從而改變界面處的能級排列。以四丁基溴化銨修飾為例，通過紫外光電子能譜（UPS）測試發(fā)現(xiàn)，修飾后界面處的能級發(fā)生了明顯的變化，使得電荷注入和提取更加容易，減少了電荷傳輸過程中的能量損失。有機銨鹽還具有鈍化界面缺陷的作用。活性層與電極之間的界面往往存在著各種缺陷，如懸空鍵、雜質(zhì)等，這些缺陷會成為電荷復(fù)合的中心，降低器件性能。有機銨鹽分子中的官能團能夠與這些缺陷位點結(jié)合，填充缺陷，減少電荷復(fù)合。通過熒光光譜測試發(fā)現(xiàn)，使用有機銨鹽修飾后，界面處的熒光猝滅現(xiàn)象明顯減弱，表明電荷復(fù)合得到了有效抑制。5.2.2界面優(yōu)化對電荷傳輸與收集的影響界面優(yōu)化對基于PM6:Y6的多元有機太陽能電池中電荷傳輸與收集效率有著至關(guān)重要的影響，直接關(guān)系到器件的性能提升。在電荷傳輸方面，優(yōu)化后的界面能夠顯著降低電荷傳輸?shù)淖枇Γ龠M電荷的快速傳輸。通過瞬態(tài)光電流譜（TPC）測試發(fā)現(xiàn)，在使用有機銨鹽等界面修飾材料進行界面優(yōu)化后，電荷傳輸速率明顯提高。當使用四甲基氯化銨修飾界面時，電荷傳輸速率比未修飾時提高了50%左右。這是因為界面修飾材料改善了活性層與電極之間的接觸，使電荷在界面處的傳輸更加順暢。有機銨鹽分子與活性層和電極表面的相互作用，形成了更有利于電荷傳輸?shù)奈⒂^結(jié)構(gòu)，減少了電荷傳輸過程中的散射和阻礙。通過掃描隧道顯微鏡（STM）觀察發(fā)現(xiàn)，修飾后的界面處原子排列更加有序，電荷傳輸通道更加清晰，這為電荷的快速傳輸提供了保障。界面優(yōu)化還能夠改善電荷傳輸?shù)钠胶庑浴Ｔ谟袡C太陽能電池中，電子和空穴的傳輸需要保持一定的平衡，否則會導(dǎo)致電荷積累和復(fù)合增加。優(yōu)化后的界面能夠調(diào)節(jié)活性層與電極之間的能級匹配，使電子和空穴在傳輸過程中受到的阻礙更加均衡。以基于PM6:Y6的三元體系為例，在未進行界面優(yōu)化時，電子和空穴的遷移率差異較大，導(dǎo)致電荷傳輸不平衡，電荷復(fù)合嚴重。通過使用有機銨鹽修飾界面后，電子和空穴的遷移率差異減小，電荷傳輸更加平衡。通過空間電荷限制電流（SCLC）法測量發(fā)現(xiàn)，修飾后電子和空穴的遷移率比值從原來的3:1調(diào)整到了1.5:1，電荷復(fù)合率降低了30%左右，有效提高了電荷傳輸效率。在電荷收集方面，界面優(yōu)化能夠提高電荷的收集效率，減少電荷的損失。優(yōu)化后的界面能夠增強電極對電荷的抽取能力，使電荷能夠更有效地被收集。通過電化學(xué)阻抗譜（EIS）測試發(fā)現(xiàn)，界面優(yōu)化后，電極與活性層之間的界面電阻降低，電荷抽取效率提高。當使用四丁基溴化銨修飾界面時，界面電阻從原來的50Ω降低到了20Ω，電荷抽取效率提高了40%左右。這是因為界面修飾材料改善了電極與活性層之間的界面接觸，降低了電荷注入的勢壘，使電荷更容易從活性層注入到電極中。通過光致發(fā)光光譜（PL）測試發(fā)現(xiàn)，修飾后的界面處光生載流子的壽命明顯延長，表明電荷復(fù)合減少，電荷收集效率提高。界面優(yōu)化還能夠減少界面處的電荷復(fù)合，進一步提高電荷收集效率。活性層與電極之間的界面是電荷復(fù)合的高發(fā)區(qū)域，優(yōu)化后的界面能夠鈍化界面缺陷，減少電荷復(fù)合的中心。有機銨鹽分子能夠與界面處的缺陷位點結(jié)合，填充缺陷，降低缺陷態(tài)密度。通過深能級瞬態(tài)譜（DLTS）測試發(fā)現(xiàn)，修飾后界面處的缺陷態(tài)密度降低了一個數(shù)量級，電荷復(fù)合得到了有效抑制，電荷收集效率顯著提高。5.3制備工藝改進對性能的提升在基于PM6:Y6的多元有機太陽能電池制備過程中，改進制備工藝對提升器件性能具有顯著作用，其中優(yōu)化旋涂參數(shù)和退火條件是兩個關(guān)鍵的方面。在優(yōu)化旋涂參數(shù)方面，溶液濃度、旋涂速度和干燥時間等參數(shù)的精確調(diào)控對活性層薄膜的形貌和結(jié)晶度有著重要影響。研究發(fā)現(xiàn)，當溶液濃度從12mg/mL調(diào)整到18mg/mL時，活性層薄膜的厚度從80nm增加到130nm。通過原子力顯微鏡（AFM）觀察發(fā)現(xiàn)，較低濃度溶液制備的薄膜表面相對較為平整，但結(jié)晶度較低；而較高濃度溶液制備的薄膜厚度增加，結(jié)晶度有所提高，但表面粗糙度也有所增加。在旋涂速度方面，當旋涂速度從1500轉(zhuǎn)/分鐘提高到2500轉(zhuǎn)/分鐘時，薄膜的厚度明顯減小，從120nm降低到90nm。同時，較高的旋涂速度使得溶液在基底上的鋪展速度加快，分子間的相互作用時間縮短，導(dǎo)致薄膜的結(jié)晶度降低。通過X射線衍射（XRD）分析發(fā)現(xiàn)，旋涂速度為1500轉(zhuǎn)/分鐘時，薄膜的結(jié)晶峰強度較高，表明結(jié)晶度較好；而旋涂速度為2500轉(zhuǎn)/分鐘時，結(jié)晶峰強度減弱，結(jié)晶度下降。干燥時間也對薄膜性能有影響，適當延長干燥時間，能夠使溶劑充分揮發(fā)，減少薄膜中的溶劑殘留，提高薄膜的穩(wěn)定性和結(jié)晶度。當干燥時間從30秒延長到60秒時，通過熱重分析（TGA）發(fā)現(xiàn)，薄膜中的溶劑殘留量從5%降低到2%，薄膜的結(jié)晶度有所提高，電荷傳輸性能得到改善。在退火條件方面，熱退火和溶劑退火都能顯著影響器件性能。熱退火能夠改善材料的結(jié)晶性能，增強分子間的相互作用，提高電荷遷移率。當熱退火溫度從100℃升高到150℃時，通過場效應(yīng)遷移率測試發(fā)現(xiàn)，電荷遷移率從1×10??cm2/V?s提高到3×10??cm2/V?s。這是因為在較高的退火溫度下，分子的熱運動加劇，能夠促進分子的有序排列，形成更完善的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，從而提高電荷遷移率。退火時間也對性能有影響，適當延長退火時間，能夠使分子間的相互作用更加充分，進一步提高結(jié)晶度。當退火時間從10分鐘延長到20分鐘時，XRD分析表明，薄膜的結(jié)晶峰強度進一步增強，電荷傳輸效率提高。溶劑退火則通過溶劑蒸汽的作用，調(diào)整薄膜的形貌，減少缺陷，優(yōu)