光活性層摻雜及新型透明電極在聚合物太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用研究.pdf

1、聚合物太陽(yáng)能電池(polymer solar cell，PSC)是一種新型有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池，具有制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、重量輕和可制備成柔性器件等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。新型給體/受體光伏材料的合成、光活性層微觀結(jié)構(gòu)和形貌的調(diào)控、緩沖層的引入和電極材料的開(kāi)發(fā)都是目前聚合物太陽(yáng)能電池的研究熱點(diǎn)，而如何提高電池的能量轉(zhuǎn)換效率(power conversion efficiency，PCE)則是聚合物太陽(yáng)能電池研究的核心問(wèn)題。本論文以

2、通過(guò)光活性層摻雜提高聚合物太陽(yáng)能電池PCE以及發(fā)展可替代ITO的透明電極為出發(fā)點(diǎn)，開(kāi)展了以下幾個(gè)方面的工作:
　　 (1)首次將Fe3O4磁性納米粒子摻雜到P3HT∶PCBM光活性層中提高了體相異質(zhì)結(jié)(BHJ)結(jié)構(gòu)的聚合物太陽(yáng)能電池的效率。我們發(fā)現(xiàn)在1％的最優(yōu)Fe3O4磁性納米粒子摻雜濃度下，F(xiàn)e3O4摻雜后的P3HT∶PCBM聚合物太陽(yáng)能電池(OA-Fe3O4∶P3HT∶PCBM)的能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)相比于未摻雜的器件提高

3、了約18％。我們系統(tǒng)地研究了Fe3O4納米粒子的磁性對(duì)于PCE提高的決定性影響，證明了PCE的提高的確歸功于Fe3O4納米粒子的磁性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明PCE18％的提高主要是由于短路電流(Jsc)提高了約14％，而Jsc的提高是由于Fe3O4納米粒子誘導(dǎo)的磁場(chǎng)效應(yīng)可以增加單線態(tài)激子到三線態(tài)激子系間竄越率，使三線態(tài)激子的數(shù)量增大，提高了激子分離效率和電池的光電流。
　　 (2)首次將雙親性的表面活性劑油酸酰胺(Oleamide)摻雜

4、到P3HT∶PCBM光活性層中，通過(guò)其在成膜過(guò)程中的自韁裝在光活性層與陰極之間形成陰極緩沖層，顯著地提高了電池的效率。在2.5％的最優(yōu)Oleamide摻雜濃度下，P3HT∶PCBM電池的能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)提高了約28％，這一提高主要是填充因子(FF)的貢獻(xiàn)（增加約22％）。通過(guò)TEM、AFM和SKPM對(duì)光活性層的微觀結(jié)構(gòu)和表面形貌進(jìn)行了表征，結(jié)果表明油酸酰胺分子摻雜到光活性層后，在后續(xù)成膜過(guò)程中會(huì)遷移到P3HT∶PCBM薄膜表面并通

5、過(guò)自組裝形成陰極緩沖層和界面偶極層，降低了Al電極的功函數(shù)，使得Al電極與PCBM之間的能壘變小，有利于電子的抽取。
　　 (3)通過(guò)在PEDOT∶PSS薄膜表面旋涂一層雙親性的表面活性劑甘油單硬脂酸酯(glycerol monostearate，GMS)，制備了PEDOT∶PSS/GMS雙層膜作為一種可以替代氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電玻璃的新型透明電極。測(cè)試表明該透明電極的電導(dǎo)率高達(dá)1019 S cm-1，方阻為98Ω sq-1;

6、可見(jiàn)光區(qū)的透光率大于80％。我們提出了GMS修飾PEDOT∶PSS薄膜后電導(dǎo)率提高的作用機(jī)理為PEDOT∶PSS薄膜中構(gòu)象發(fā)生了改變。當(dāng)GMS甲醇溶液旋涂在PEDOT∶PSS薄膜表面時(shí)，由于甲醇的溶脹作用，GMS分子會(huì)擴(kuò)散到PEDOT∶PSS薄膜內(nèi)部并和PEDOT∶PSS發(fā)生相互作用，導(dǎo)致了PEDOT鏈與PSS鏈的相分離，使得PEDOT鏈重新定向并擺脫了PSS鏈的纏繞，促進(jìn)了PEDOT鏈與鏈之間的相互作用，因此降低了載流子在鏈間及相間跳

7、躍時(shí)的能壘，有利于載流子在鏈與鏈之間的傳輸，從而大幅提高PEDOT∶PSS薄膜的電導(dǎo)率。進(jìn)一步地，我們用PEDOT∶PSS/GMS雙層膜替代ITO作為新型透明陽(yáng)極制備了非ITO（ITO-free）聚合物太陽(yáng)能電池，在PTB7∶PC70BM體系中PCE達(dá)到了7.06％，這一效率與基于ITO的電池的PCE相當(dāng)，也是目前為止所報(bào)道的非ITO聚合物太陽(yáng)能電池的最高PCE。通過(guò)將PEDOT∶PSS/GMS新型透明陽(yáng)極應(yīng)用于不同的給體/受體電池體系