可熱交聯之碳六十、碳七十衍生物：合成、鑑定及其在反式太陽能電池之應用

Abstract

本研究設計六個容易合成的碳六十/碳七十衍生物，內含兩個可熱交聯之苯乙烯基團的樹枝狀結構，其中PC61BSD、PC71BSD 和PCBS是以目前最廣泛被利用的PCBM分子做為主體來設計，而另外三個材料POSDF、ISDF和PASDF則是分別以pyrrolidono、isoxazolo和pyrazolo之異原子五環結構，作為連接交聯基團和碳六十之間的橋樑。這些材料經由160-180 ℃的低溫加熱三十分鐘，即可在原位置完成交聯，產生一堅固可附著並具抗溶劑溶蝕力之薄膜。經由熱交聯產生的三度空間網絡，能使此中間層克服和主動層間介面溶蝕的問題，讓主動層可以成功的沈積於中間層上，實現多層反式太陽能電池元件，全程使用低成本之濕式製程製作的構想。以ITO/ZnO/C-PC61BSD/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS/Ag為結構製作的反式太陽能電池，除了可將元件效率提升到4.4%，且在元件未封裝的情況下，也表現出卓越的長期穩定性。導入中間層的元件成果，大幅的勝過未導入中間層材料，結構為ITO/ZnO/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS/Ag的反式參考元件(PCE = 3.5%)。在由C-PC61BSD和主動層之P3HT和PCBM形成的兩種局部異質介面(P3HT/C-PC61BSD和PCBM/C-PC61BSD)上，C-PC61BSD都產生許多正面的影響，包含提供額外異質接面增加激子拆解的效率、抑制漏電流、降低主動層和氧化鋅層介面間的電阻和為主動層提供成核點，誘導主動層產生更有效的縱向梯度微相分離型態，並提升電子施體P3HT的結晶度，最後還有避免電洞從氧化鋅層內的晶界，傳遞到ITO陰極。導入C-POSDF中間層之元件效率為2.33%，較參考元件差，主要歸因於POSDF較高的交聯溫度和C-POSDF抗溶劑溶蝕力較差，在其後主動層的濕式製程中會發生介面溶蝕的現象。雖然C-ISDF和C-PASDF擁有較低的LUMO能階，可提供階梯狀電子向下傳遞的途徑，但以C-ISDF和C-PASDF做為中間層之元件效率，卻出乎意料的低。推測應為C-ISDF和C-PASDF擁有較低的LUMO能階和較大的電子親和力，使得電子不能有效的傳遞到下層的氧化鋅層。此外，C-ISDF和C-PASDF所形成的交聯網絡內，分子間的排列可能異於PCBM衍生物，造成主動層型態的改變，對主動層中電子傳遞和縱向梯度微相分離產生負面影響。本研究證明，導入可熱交聯之C-PC61BSD作為元件的中間層，確實可以讓元件的效率增加，並作為往後製作高效率且高穩定之反式太陽能電池的標準程序。