【摘要】 使用紫外光和 X-光研究了低带隙聚合物 PCPDTBT 与 F4-TCNQ 的 p 掺杂对以 ITO 作为电极材料和富勒烯 C60 作为电子受体材料的原型有机太阳能电池结构中能级排列的影响。由

有机半导体改变掺杂能是改善载流子传输和调节界面能级排列的有前途的方法。

 

使用紫外光和 X-光研究了低带隙聚合物 PCPDTBT 与 F4-TCNQ 的 p 掺杂对以 ITO 作为电极材料和富勒烯 C60 作为电子受体材料的原型有机太阳能电池结构中能级排列的影响。由于掺杂，在 ITO 界面处形成了准欧姆接触，而与 C60 的能级对准几乎不受影响。与相关系统相比，观察到聚合物表面掺杂剂的耗尽。仅在电极界面处的能级排列的变化可能有利于有机太阳能电池器件的应用。

 

使用F4-TCNQ [1]和C60 [2,3]的HOMO和LUMO位置的文献数据，通过光电子发射和反光电子发射确定。在这种情况下，HOMO-LUMO距离对应于传输间隙(Eg)。确定 UPS 的 C60 IP（即 HOMO 起始点和真空能级 EVL 之间的能量距离）为 6.4 eV，与文献非常吻合。由于缺乏 PCPDTBT 的逆光电发射数据，我们使用光学间隙 (Eg opt) 粗略估计 LUMO 位置，忽略激子效应。

 

PCPDTBT 和 F4TCNQ 能级的相对位置来看，预计聚合物会发生 p 掺杂。总之，在原型体异质结太阳能电池结构中，PCPDTBT 与 F4-TCNQ 的 p 掺杂显着降低了电极材料 ITO 界面处的能量势垒，而能级与 C60 对齐（选择作为富勒烯的代表）有机太阳能电池中的受体材料几乎不受掺杂的影响。

 

换句话说，供体组分 PCPDTBT 的 HOMO 和受体的 LUMO 之间的能量差保持恒定，而电极界面处的势垒可以根据掺杂而变化。由于此类势垒预计会代表有机太阳能电池中开路电压的损失，因此相对较弱的分子 p 掺杂可能会提高基于这些材料的器件的性能。

 

造成这种现象的一个可能原因是聚合物薄膜表面的掺杂剂耗尽，并且在本体中均匀分布，甚至在 ITO 界面处富集。与 P3HT:F4-TCNQ 相比，明显不同的行为可能是由聚合物的化学结构引起的。此外，不能排除制备条件和制备方法（旋涂与刮刀铸造）的显着影响。

 

[1] W. Gao, A. Kahn, Controlled p-doping of zinc phthalocyanine by coevaporation with tetrafluorotetracyanoquinodimethane: a direct and inverse photoemission study, Appl. Phys. Lett. 79 (2001) 4040e4042

[2] Z.-L. Guan, J.B. Kim, H. Wang, C. Jaye, D.A. Fischer, Y.-L. Loo, A. Kahn, Direct determination of the electronic structure of the poly(3-hexylthiophene): phenyl-[6,6]-C61 butyric acid methyl ester blend, Org. Electron. 11 (2010) 1779e1785.

[3] H. Yoshida, Low-energy inverse photoemission study on the electron affinities of fullerene derivatives for organic photovoltaic cells, J. Phys. Chem. C 118 (2014) 24377e24382.

 

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