摻雜超順磁性四氧化三鐵對有機太陽能電池影響之研究

Abstract

本論文之主要研究目標為：摻雜四氧化三鐵磁性奈米粒子於有機太陽能電池特定薄膜結構中之效應。由於四氧化三鐵奈米粒子具有超順磁特性，且在標靶藥物治療及核磁共振等生醫領域方面有其特殊應用價值，因此期望藉由其所具備之磁特性與元件中所產生之光電流產生電磁交互作用以提升元件之光電轉換效率。 在本實驗中，我們成?地以化學共沉澱法合成出親水性Fe3O4 MNPs與疏水性OA-Fe3O4 MNPs，兩種粒子之平均粒徑皆約為10 nm左右，具備奈米級材料所特有之超順磁特性並經過SQUID VSM之驗證。親水性和疏水性之粒子分別以不同重量百分濃度均勻地分散於PEDOT:PSS與P3HT:PCBM溶液之中，本實驗皆採用異質接面(BHJ)結構，以PEDOT:PSS:Fe3O4 MNPs與P3HT:PCBM:OA-Fe3O4 MNPs溶液分別做為元件之電洞傳輸層及主動層材料。 實驗結果發現將0 5 wt%及1 wt%之OA-Fe3O4 MNPs摻雜入P3HT:PCBM之後，其分別對一般正向摻雜元件產生了>20%及>40%之效率提升。接著對摻雜不同wt% OA-Fe3O4 MNPs之主動層薄膜進行：FTIR、cryo-TEM、AFM、UV-Vis、PL及SAXS等材料分析，發現主動層薄膜之化學結構並不因為摻雜而改變，但局部表面形貌及相分離微結構則因為OA-Fe3O4 MNPs摻雜濃度提升而受到影響。在0 5 wt%及1 wt%摻雜濃度下之主動層薄膜，其光吸收能力明顯提升但再結合過程所放出之螢光強度卻受到抑制，此為摻雜元件效率提升之主因。而OA-Fe?3O4 MNPs摻雜主動層之各項薄膜分析結果皆與元件特性之表現相呼應。 在本研究中我們推論主動層光吸收能力提升之主因來自於0 5 wt%及1 wt%之OA-Fe?3O4 MNPs摻雜，使得P3HT之結晶性提高且結晶之domain size增大；而PL強度降低則源自於PCBM大規模擴散入P3HT matrix並團聚。另外我們也提出一假想模型：自旋電子在有機太陽能電池元件之再結合過程中扮演重要角色，且可以藉由摻雜超順磁性之四氧化三鐵奈米粒子來催化內系統跨越(ISC)機制，使三重電荷轉移態之比例大於單重態，進而抑制單重電荷轉移態再結合回到基態之比例，螢光強度降低且光電流之損耗減少，元件之短路電流及光電轉換效率因而提升。

Date of Award	2014 Aug 20
Original language	Chinese
Supervisor	Chuan-Feng Shih (Supervisor)