活性層優(yōu)化及電極界面修飾對聚合物電池性能的影響.pdf

1、有機(jī)聚合物太陽電池具有重量輕、成本低、與濕法成膜的大面積制備技術(shù)相兼容以及可制成柔性、特殊形狀器件等優(yōu)點(diǎn)。通過設(shè)計(jì)和合成新型聚合物半導(dǎo)體材料，可以很容易地實(shí)現(xiàn)對器件光伏性能的調(diào)控。基于上述這些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，聚合物太陽電池受到了國內(nèi)外研究小組的廣泛關(guān)注，成為近年來太陽能電池技術(shù)最熱門的研究領(lǐng)域之一。
　　 目前文獻(xiàn)報(bào)道的小面積聚合物太陽電池的能量轉(zhuǎn)化效率(PCE)已超過10％，達(dá)到了商業(yè)化生產(chǎn)的要求，聚合物太陽電池也因此最有希望成為

2、下一代商業(yè)化的太陽能電池產(chǎn)品之一。目前聚合物太陽電池的研究主要集中在多功能新型聚合物材料的開發(fā)和對器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能的優(yōu)化等方面。
　　 本論文針對目前聚合物太陽電池存在的問題，把握聚合物電池的重點(diǎn)研究方向，依托本實(shí)驗(yàn)室的研究基礎(chǔ)，以器件的性能優(yōu)化為切入點(diǎn)展開對聚合物電池的研究，從兩個(gè)方面對聚合物太陽電池進(jìn)行了分步優(yōu)化：一是電池體相異質(zhì)結(jié)活性層的優(yōu)化，二是活性層與電極之間界面的修飾和優(yōu)化。在優(yōu)化活性層特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行活性層與電

3、極之間界面的修飾和優(yōu)化，期望達(dá)到電池性能優(yōu)化效果的疊加。
　　 本論文的主要研究內(nèi)容和成果如下：
　　 第一，在室溫范圍、空氣中、無熱退火的條件下，制備了基于P3HT：PCBM活性層體系的高性能聚合物太陽電池。研究了旋涂轉(zhuǎn)速、旋涂時(shí)間和室內(nèi)溫度三者對活性層溶劑揮發(fā)速率的影響。研究發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)室溫、旋涂的轉(zhuǎn)速和時(shí)間可以控制活性層溶劑揮發(fā)的速率，從而實(shí)現(xiàn)活性層材料的自組裝功能?；钚詫幼越M裝功能的實(shí)現(xiàn)，使得P3HT的有序結(jié)晶度

4、提高，空穴載流子遷移率提升，從而平衡了活性層中載流子的傳輸，改善了電池的填充因子(FF)和短路電流密度(Jsc)。在室溫、空氣中、無熱退火的條件下，優(yōu)化的基于P3HT：PCBM的電池效率達(dá)到4.71%，接近國際報(bào)道水平(4.5%)。由于此電池制備條件不需要加熱退火，與柔性襯底相兼容，基于此工藝制備的柔性聚合物電池的效率達(dá)到4.00%。由于在室溫范圍內(nèi)可以控制溶劑揮發(fā)速率，實(shí)現(xiàn)活性層的自組裝功能，采用與卷對卷(roll to roll)兼

5、容的浸漬涂布(dip coating)的工藝，亦實(shí)現(xiàn)了高性能聚合物電池的制備。
　　 第二，在優(yōu)化電池活性層的基礎(chǔ)上，分別選取了不同的TCOs(FTO、IWO、AZO等)作為電極材料應(yīng)用到聚合物電池中，通過電極與活性層之間的界面修飾和優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這些TCOs完全可以取代ITO，而不會降低器件的性能。通過實(shí)驗(yàn)詳細(xì)分析了TCO的電學(xué)、光學(xué)特性、表面形貌和功函數(shù)對電池性能參數(shù)的影響，結(jié)果顯示TCO的電學(xué)特性和表面形貌對電池的FF

6、和Jsc有一定的影響，而電池的Voc與選擇使用的TCO電極種類影響很小。這些研究成果表明在降低電池成本的同時(shí)還為電池的電極選擇提供了更大的靈活性。
　　 第三，在研究了電極材料對聚合物電池性能參數(shù)影響的基礎(chǔ)上，借鑒無機(jī)硅基薄膜電池陷光結(jié)構(gòu)的理念，將具有陷光作用的絨面電極取代平面電極應(yīng)用到聚合物電池中，增強(qiáng)了聚合物電池對太陽光譜的吸收和利用。通過絨面電極表面處理和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，獲得了良好的絨面電極與活性層的界面接觸，保證了在提升電池J

7、sc的同時(shí)不犧牲電池的FF和Voc。與平面電極電池相比，絨面電極電池的Js增加了10%，PCE提升了8%。研究還發(fā)現(xiàn)采用“U”型表面形貌的絨面電極比“V”型絨面電極更能獲得良好的聚合物電池性能。電池的反射光譜和外量子效率測試均表明，絨面陷光電極能顯著提高電池在陷光波段的吸收和利用效率。
　　 第四，由于電極修飾層的特性對聚合物電池的性能起著至關(guān)重要的作用，研究了PEDOT：PSS摻雜不同濃度的乙二醇(EG)和二甲基亞砜(DMSO

8、)對PEDOT：PSS薄膜光電特性和形貌的影響，以及摻雜改性后的PEDOT：PSS薄膜作為電池的修飾層對聚合物太陽電池性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：PEDOT：PSS中摻入溶劑EG和DMSO均能提高薄膜的電導(dǎo)率，當(dāng)摻雜濃度為10wt%時(shí)，薄膜的電導(dǎo)率比未摻雜時(shí)分別提高了約2個(gè)和3個(gè)數(shù)量級。EG和DMSO摻雜PEDOT：PSS后，薄膜的透過率幾乎沒有發(fā)生變化，但薄膜的表面粗糙度增加。將摻雜后的PEDOT：PSS薄膜作為修飾層應(yīng)用到聚合物電池中

9、，發(fā)現(xiàn)高電導(dǎo)率的PEDOT：PSS降低了器件的串聯(lián)電阻(Rs)，增加了器件的Jsc，但摻雜后的PEDOT：PSS薄膜粗糙度的增加也影響到了電池的FF。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)PEDOT：PSS摻雜EG和DMSO的濃度為10 wt%時(shí)，器件的Rs最小，PCE分別達(dá)到4.34%和4.45%，器件效率比未摻雜時(shí)分別提高了29%和30%。
　　 第五，選擇了ZnO作為電極界面修飾層，制備了反型結(jié)構(gòu)的聚合物太陽電池，避免了由于使用具有腐蝕性和親水

10、性的PEDOT：PSS帶來的器件性能的衰退，提高了聚合物電池的穩(wěn)定性。利用水浴法制備了ZnO納米柱陣列，并研究了不同ZnO納米形貌作為界面修飾層對反型結(jié)構(gòu)電池性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)稀疏ZnO納米柱陣列有利于電子的收集和傳輸，能顯著提高電池的性能。利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)制備了厚度系列和摻雜系列ZnO薄膜，研究了不同厚度和不同導(dǎo)電性ZnO薄膜作為界面修飾層對電池性能的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)ZnO薄膜在一定厚度下，適當(dāng)提高其電導(dǎo)性可以