掺杂技术优化界面设计

在有机半导体光电器件中，电极的功函数对器件的性能有着非常重要的影响，因此，如何实现电极功函数的调控是有机半导体光电器件研究中的重要内容。通过选取不同的金属电极（如Ca、Mg等），我们可以调控有机半导体材料接触电极的功函数，但这种方法受到金属电极自身功函数的限制。为进一步调控电极的功函数，我们可以选用界面偶极子的修饰方法来调节真空能级，从而实现对功函数的调控。此外，还可以通过电子掺杂半导体材料的方法实现更大范围的功函数调控。在这里，我将介绍一种新型的、简单的电子掺杂方法，即将有机半导体材料浸泡在磷钼酸（PMA）溶液中，即可实现对有机半导体的掺杂（见图156.4），提高有机半导体材料的功函数。

图156.4　利用PMA溶液对有机半导体掺杂

我们将210 nm厚的P3HT有机半导体材料浸泡至0.5 mol/L的PMA溶液中，浸泡10 min，使用XPS测试，浸泡后的P3HT薄膜出现明显的钼元素峰位。为进一步表征PMA对有机半导体的掺杂是表面掺杂还是体掺杂，我们使用深度刻蚀XPS来表征PMA掺杂P3HT薄膜的深度（见图156.5）。通过分析钼元素的分布我们发现，PMA可以在有限的深度上对有机半导体进行掺杂。

随后，对不同掺杂浓度和不同掺杂时间的有机半导体薄膜进行方块电阻和功函数测试。测试结果显示，利用0.5 mol/L的PMA溶液掺杂210 nm厚的P3HT有机半导体薄膜，掺杂10 min后，P3HT薄膜的方块电阻可以从10000 MΩ每sq下降至1 MΩ每sq以下，下降超过4个数量级。同样，原始的P3HT薄膜功函数大约是4.45 eV，使用50 μmol/L的PMA溶液掺杂，掺杂10 min后，P3HT薄膜功函数可以提高至4.9 eV以上。结果表明，使用PMA溶液对P3HT有机半导体薄膜掺杂，可以调节半导体材料的电学性能。

图156.5　PMA掺杂后的有机半导体深度XPS测试

根据上述结果，我们将PMA浸泡工艺直接应用到有机太阳能电池器件中。我们采用传统的反式有机太阳能电池，底电极是ITO，使用PEIE作为阴极界面修饰层，降低电极功函数，活性层采用P3HT：ICBA，活性层厚度为500 nm，然后将器件浸泡至0.5 mol/L的PMA溶液中，浸泡时间为60 s，顶电极为金属Ag。其中标准参比器件采用的是热蒸发MoO3作为空穴传输层，Ag作为顶电极，如图156.6所示。(www.xing528.com)

图156.6　有机太阳能电池器件结构

随后我们对器件性能进行表征，使用PMA浸泡的有机光电太阳能电池的光电转换效率为4.8％，高于使用热蒸发MoO3作为空穴传输层的有机太阳能电池的（4.1％）。如图156.6所示，使用PMA浸泡的有机太阳能电池可以简化有机太阳能电池的制备工艺。2015年，Kwanghee Lee教授将PEIE的二甲氧基乙醇溶液加入活性层溶液中，简化了电子传输层的制备。结合上述研究成果，我们提出进一步简化有机太阳能电池的器件结构。利用PEIE在活性层中的垂直相位分离和PMA对有机活性层的掺杂，实现了单层的有机太阳能电池器件，器件结构如图156.7所示。

图156.7　单层有机太阳能电池器件结构及优化步骤

利用这种制备工艺，我们采用不同的有机半导体活性层材料制备了单层有机太阳能电池器件，其中单层P3HT：ICBA体系的有机太阳能器件的光电转换效率为4.4％。我们与加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的Bazan教授和Nguyen教授合作，实现了单层PIPCP：PCBM的有机太阳能电池的制备，该电池的光电转换效率达到5.9％。结果表明，利用PEIE在活性层中的垂直相位分离以及PMA对活性层的掺杂效果，可以有效实现单层有机太阳能电池的制备，从而简化有机太阳能电池的制备工艺，更好地面向大规模生产。