聚合物太陽能電池相行為的電特性掃描探針顯微技術研究.pdf

1、聚合物太陽能電池(polymer solar cell，PSC)因其低價、柔性、可大面積制備等特點成為目前能源領域研究的熱點之一。目前的研究主要集中在對于電子給體、電子受體材料的設計合成、活化層成膜條件方面，對于在體相異質結界面處電荷分離以及電池失效的微觀機制方面的研究卻很缺乏。本課題將以聚合物體相異質結(BHJ，bulk heterojunction)聚合物太陽能電池為模型，以聚3-己基噻吩：[6，6]-苯基C61丁酸甲酯(P3HT：

2、PCBM)活化層薄膜體系為研究對象，利用靜電力顯微技術(Electric force microscopy，EFM)研究其相分離結構、電荷分離特性等與器件效率之間的關聯(lián)，并對其熱失效機制進行了初步的探索。主要研究結果如下：
　　一、不同P3HT：PCBM比例對聚合物太陽能器件效率的影響。制備了P3HT：PCBM質量比為3:1、2:1、1:1、1:2、1:3的器件，并對所有器件進行了相同的110℃熱退火10 min的處理。測試發(fā)現(xiàn)P

3、3HT：PCBM質量比為1:1時所得器件效率最高，達到了4%，隨P3HT：PCBM比例從3:1變到1:3，薄膜表面粗糙度從15.6 nm降低到1.48 nm，利用EFM對其相分離特性及表面電勢進行表征，發(fā)現(xiàn)隨著P3HT：PCBM質量比例的逐漸降低，相分離的尺度逐漸減小，當P3HT：PCBM為3:1，2:1時，體系發(fā)生了較大尺度的相分離，在1:1時相分離尺度較小，而在1:2及1:3時，幾乎觀察不到相分離；P3HT：PCBM為1:1所制得的

4、薄膜形成的微觀互穿網(wǎng)絡結構較好，有利于電荷的分離及傳輸，因而得到了最高的器件效率，觀察了P3HT：PCBM薄膜在暗場及光照條件下表面電勢的變化情況，發(fā)現(xiàn)比例在3:1，2:1及1:1時，表面電勢降低，說明在表面有負電荷的聚集，而在比例1:2及1:3時，表面電勢幾乎沒有變化。
　　二、研究了不同熱處理溫度及時間對器件效率的影響，分別測得了70℃、110℃、150℃、190℃熱退火10 min、30 min、60 min、90 min后

5、所得的器件效率，在70℃熱退火90 min以及150℃熱退火30 min的條件下器件效率分別達到了4.4%及4.6%，隨著熱處理溫度由70℃升高到190℃，薄膜表面粗糙度越來越大，而器件效率則呈現(xiàn)先上升后下降的過程，隨著熱處理時間的增長，表面粗糙度同樣顯示出增大的趨勢，器件效率先是增加，到達30 min以后，逐漸降低，利用紫外可見吸收光譜發(fā)現(xiàn)，與未經(jīng)熱處理的活化層薄膜相比，吸收峰發(fā)生了明顯的紅移。利用EFM相位圖像可以清楚地觀察到相分離

6、的情況，未經(jīng)熱處理時，P3HT無規(guī)排布，沒有形成較好的網(wǎng)絡結構，當經(jīng)過150℃熱處理過程后，使得PCBM以納米晶粒的形式較為均勻的分散于P3HT晶體周圍，二者形成良好的互穿網(wǎng)絡結構，為載流子的高效傳輸提供了路徑，因此器件效率有了很大的提高。對三種熱處理條件下獲得的P3HT：PCBM體系異質結薄膜的形貌及光照前后的表面電勢進行了比較。在未熱處理時，表面形貌粗糙度較小，薄膜很平整，表面電勢均一分布，經(jīng)過150℃熱處理30 min后，從形貌上

7、可以看出形成更好的規(guī)則結構，有大量尺寸較小的Cluster形成，有利于電荷分離，而當熱處理溫度為190℃時，形貌像及表面電勢圖像顯示表面粗糙度大大增加，出現(xiàn)了較多的大聚集體，導致兩者有效界面的減少，降低了電荷的分離效率，最終導致器件效率的降低。
　　三、在變溫條件下對聚合物太陽能電池的熱失效機制進行了探索。選取70℃熱處理90 min及150℃熱處理30 min兩個最高能量轉換效率的熱處理條件，分別得到了其在室溫及70℃下的失效曲

8、線，發(fā)現(xiàn)150℃熱處理30 min條件制得的器件穩(wěn)定性要高于70℃熱處理90 min所得的器件，對其活化層形貌的變化進行了表征，發(fā)現(xiàn)150℃熱處理30 min所得活化層薄膜具有更好的骨架結構而70℃熱處理90 min所得活化層薄膜雖然也形成了較好的互穿網(wǎng)絡結構，得到較高的效率，但其結構穩(wěn)定性較差，在較高溫度下容易被破壞，從而降低其能量轉換效率。
　　獲得了國際有機光伏穩(wěn)定性峰會(ISOS)推薦的標準熱失效方案下的25℃，85℃以及