靜電紡絲導(dǎo)電納米纖維及聚合物太陽能電池溶液加工研究.pdf

1、聚合物太陽能電池經(jīng)過近二十年的研究，已經(jīng)在活性層材料設(shè)計、活性層形貌控制、界面修飾、透明電極等領(lǐng)域取得了很大進(jìn)展。目前光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）最高的聚合物太陽能電池已經(jīng)達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用要求。除了獲得更高的效率、探尋統(tǒng)一的器件物理解釋之外，人們開始更多的關(guān)注器件性能的穩(wěn)定性。聚合物太陽能電池的溶液加工與大面積低成本制備工藝兼容，成為了新的焦點問題。為此對緩沖層材料和金屬電極材料的化學(xué)穩(wěn)定性和溶液加工性提出了新的要求。本論文主要圍繞聚合物太陽能

2、電池組成材料的溶液加工方法進(jìn)行研究，包括活性層材料、界面層材料和金屬電極材料。此外還涉及一些器件物理以及陰極緩沖層材料的探索工作。論文的內(nèi)容包括：
　　1.實現(xiàn)了純聚[2-甲氧基-5(2’-乙基)己氧基-1,4-苯撐乙烯](MEH-PPV)靜電紡絲的連續(xù)制備。以氯仿/異丙醇混合溶劑進(jìn)行電紡的優(yōu)勢在于，避免了非揮發(fā)性雜質(zhì)對光電器件性能產(chǎn)生的負(fù)面影響。上述二元溶劑中劣溶劑異丙醇的加入增加了 MEH-PPV電紡溶液的可紡性。劣溶劑的主要

3、作用是增加分子鏈間相互作用、提高溶液電導(dǎo)率、降低溶液表面張力。對MEH-PPV溶液和薄膜紫外熒光性能的研究發(fā)現(xiàn)，溶劑能夠顯著改變MEH-PPV鏈間的相互作用使紫外吸收峰發(fā)生移動。純MEH-PPV取向纖維在偏振熒光發(fā)光峰處的偏振比為5.9，各向異性值為0.47。上述數(shù)值明顯高于各向同性材料，說明高分子鏈優(yōu)先沿著電紡絲的長度方向排列。在MEH-PPV中混入聚己內(nèi)酯(PCL)之后，所得混合纖維的偏振比和各向異性值分別增加到11和0.66。這是

4、因為PCL的引入減少了MEH-PPV之間的能量傳遞。純MEH-PPV電紡絲的直徑在300 nm至1100 nm之間，將其電紡膜用作聚合物太陽能電池活性層效果不佳。原因有電紡膜厚度較厚，存在著孔隙以及相分離控制困難的問題。靜電紡絲制備的共軛聚合物一維結(jié)構(gòu)更適于單絲器件的制備。
　　2.以聚合物電紡絲作為模板，通過蒸鍍金屬并去除聚合物得到了可用于透明電極的金屬網(wǎng)絡(luò)。使用的聚合物有，聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚己內(nèi)酯(PCL)和聚丙烯

5、酸(PAA)。制得性能最優(yōu)的Ag網(wǎng)絡(luò)具有和ITO相當(dāng)?shù)碾妼?dǎo)性以及在300 nm～1100 nm范圍內(nèi)70％的透過率，基本滿足透明電極的要求。將Ag網(wǎng)絡(luò)用于制備P3HT：PC61BM聚合物太陽能電池，所得器件效率最高為2.0%。高于PH1000作電極的器件，低于 ITO電極的器件。主要原因是 Ag網(wǎng)絡(luò)表面粗糙度較大， PH1000的厚度需要優(yōu)化以降低電極的表面粗糙度，減少漏電的發(fā)生以進(jìn)一步提高填充因子等性能參數(shù)。
　　3.將一種可溶

6、液加工的鐵電聚合物——聚偏氟乙烯六氟丙烯(P(VDF-HFP))用作聚合物太陽能電池的電極緩沖層。P(VDF-HFP)具有良好的成膜性、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、廣泛的商業(yè)來源并能提供可控的界面偶極。紫外光電子能譜和功函數(shù)測試表明，溶劑處理和 P(VDF-HFP)都能在退火的 P3HT:PC61BM表面引入附加偶極，使活性層/金屬界面更有利于陰極接觸。使用P(VDF-HFP)進(jìn)行陰極界面修飾的效果略高于含有LiF的器件?？紤]到P(VDF-HFP)

7、能夠?qū)ν饨珉妶鲎龀鲰憫?yīng)并改變偶極方向，我們將其用于反向器件的陽極緩沖層。所得反向器件在一開始具有很低的效率，但是隨著Ag電極的氧化和P(VDF-HFP)的正極化過程，器件效率逐漸升高，最終和蒸鍍MoO3的標(biāo)準(zhǔn)器件PCE相當(dāng)。在穩(wěn)定性上，含有P(VDF-HFP)的器件高于其他類型的器件。器件放置120天后，含有P(VDF-HFP)并經(jīng)歷正極化的器件PCE為2.4%，高于含有MoO3的標(biāo)準(zhǔn)器件。我們使用整體電荷轉(zhuǎn)移(ICT)模型解釋了偶極與

8、表面真空能級移動、電極接觸之間的關(guān)系。對P(VDF-HFP)作用的機(jī)理進(jìn)行了理論解釋，由此說明 P(VDF-HFP)通過簡單的電場極化調(diào)控能夠成為通用的緩沖層材料。
　　4.對聚合物太陽能電池的陰極界面修飾進(jìn)行了一些探索。對于反向電池的陰極修飾層ZnO，通過plasma處理能夠提高器件的開路電壓和填充因子，使電池PCE提高。其作用機(jī)理可能與plasma的清潔作用或新生成的含氧基團(tuán)有關(guān)。將聚偏氟乙烯(PVDF)或 P(VDF-HFP

9、)旋涂在ZnO的表面能夠提高器件的開路電壓和穩(wěn)定性。正極化過程則能使器件的開路電壓進(jìn)一步提高。我們還探索了一些材料用作正向電池陰極修飾層的可能性，包括富含羥基的 D-甘露糖醇、富含氨基的三聚氰胺、含有羥基和羧基的D-絲氨酸、NaCl、KBr、PVDF和P(VDF-HFP)。其中甘露糖醇有陰極緩沖層的作用，但效果低于LiF。而NaCl、KBr、PVDF和P(VDF-HFP)則具有和 LiF等同的效果。在陰極一側(cè)引入 Ag等離子體能使器件性