溶液法對(duì)陽極界面修飾提高聚合物太陽能電池性能的研究.pdf

1、有機(jī)太陽能電池因其成本低，易加工，柔性可卷曲等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛關(guān)注。雖然目前部分聚合物太陽能電池的效率已超過10％，但是距離商業(yè)化生產(chǎn)仍存在較大改進(jìn)空間。界面修飾作為提高電池效率的重要環(huán)節(jié)是目前研究的熱點(diǎn)。本文使用V2O5、DNA等納米材料制作了新型陽極緩沖材料并對(duì)其修飾效果和作用機(jī)理進(jìn)行了研究。
　　本文采用溶液法制備緩沖層對(duì)聚合物太陽能電池陽極進(jìn)行修飾，分別采用V2O5納米線，PbS量子點(diǎn)，DNA-CTMA三種不同類型的材料對(duì)陽

2、極進(jìn)行修飾。首先使用無機(jī)材料部分取代PEDOT:PSS，然后使用有機(jī)材料部分取代，最終達(dá)到使用有機(jī)環(huán)保材料完全取代PEDOT:PSS的目的。討論了幾種材料對(duì)于電池陽極空穴傳導(dǎo)，光吸收的提高，從而提高電池性能的機(jī)理。并且探究合適的材料取代PEDOT:PSS作為陽極緩沖層材料，最終使用 PSS摻雜 DNA-CTMA，達(dá)到了與PEDOT:PSS作為緩沖層相當(dāng)?shù)男Ч?，為未來新型緩沖層材料的開發(fā)制備開辟了新的道路。
　　首先使用 V2O5納

3、米線無機(jī)材料部分取代 PEDOT:PSS，制備了一種新型的PEDOT:PSS/V2O5納米線緩沖層。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)電池結(jié)構(gòu)為ITO/PEDOT:PSS/V2O5/P3H T:PCBM/Al。使用一層 V2O5納米線層旋涂在 PEDOT:PSS之上，制成雙層混合緩沖層。相比以PEDOT:PSS作為緩沖層的器件，雙層混合緩沖層的加入，聚合物太陽能電池的PCE提高了14.10%。與V2O5粉末作為緩沖層的器件相比，混合緩沖層器件PCE提高了30.4

4、0%。PCE的提高主要來自于短路電流的提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，V2O5納米線的緩沖層不僅增加了電荷傳輸速率，而且通過增強(qiáng)入射光的反射與折射，提高了活性層的光吸收。并且V2O5納米線的加入提高了器件的穩(wěn)定性。在今后的研究中，可以繼續(xù)研究其他納米線材料在聚合物太陽能電池中的制絨效果。
　　V2O5納米線的加入起到了很好的效果，但是在大量報(bào)道中，量子點(diǎn)也可以起到很好的陽極修飾效果，作為不同形貌結(jié)構(gòu)的材料，失去了制絨效果，也能起到很好的陽極修

5、飾作用。于是制備了PbS量子點(diǎn)，分別使用油酸(OA)和辛胺(OCA)作為配體，觀察不同配體量子點(diǎn)的微觀形貌和光吸收譜。并使用量子點(diǎn)修飾太陽能電池ITO陽極和活性層。PbS量子點(diǎn)摻入 P3HT:PCBM體系后，可吸收整個(gè)可見光，還能拓展對(duì)紅外吸收；另外硫化鉛量子點(diǎn)摻入該體系后，PbS量子點(diǎn)與P3HT、PCBM、Al這三種材料的界面處都會(huì)形成內(nèi)建電場(chǎng)，從而使吸收了光的硫化鉛量子點(diǎn)產(chǎn)生的激子能夠更有效的解離。同時(shí)，在ITO與PEDOT:PSS

6、之間增加一層量子點(diǎn)緩沖層。PbS的PH在7.4左右，相比PEDOT:PSS(PH在1.4左右)旋涂在 ITO表面能夠更好得保護(hù)電極，并且使得電極表面更加平整。結(jié)構(gòu)為ITO/PbSQDs/PEDOT:PSS/P3HT, PCBM, PbSQDs/Al，相比不加量子點(diǎn)的傳統(tǒng)電池， PCE提高了30.40%，Voc提高了4.76%，Jsc提高了22.55%。與傳統(tǒng)器件相比，摻入PbS量子點(diǎn)的器件在300到700 nm之間的的光吸收略高一些。同

7、樣，這種PbS量子點(diǎn)摻入的電池EQE在500 nm處比PEDOT:PSS緩沖層器件更高。得到一種新型的陽極修飾方式和活性層處理方式。
　　之前的兩種材料都起到了很好的陽極修飾和器件性能提高效果，但是V2O5納米線與 PbS量子點(diǎn)都是人工合成的毒性材料，對(duì)人體健康和環(huán)境保護(hù)都有不好的效果，因此接下來采用了DNA這種生物材料做為新的陽極緩沖層材料。使用全溶液法將deoxyribonucleic acid(DNA)– hexadecyl

8、trimethyl ammonium(CTMA)與poly(3,4-ethylenediox-ythiophene) poly(styrenesulfonate)(PEDOT:PSS)相結(jié)合，制備成PEDOT:PSS/DNA-CTMA雙層緩沖層，涂覆在ITO和活性層之間。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)為ITO/PEDOT:PSS/DNA-CTMA/P3HT: PCBM/Al，作為陽極緩沖層使用在聚合物太陽能電池中。使用雙層 bio-organic緩沖

9、層的電池 PCE與常用的PEDOT:PSS作為緩沖層的電池PCE相比，提高了13.23%；而與單獨(dú)的DNA-CTMA作為緩沖層的電池PCE相比，提高了12.42%。PCE的提高主要來自于Jsc的提高。電池光吸收率在300到650 nm區(qū)間提高了，EQE在350到550 nm區(qū)間也提高了，主要由于DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)衍生其獨(dú)特光子和光學(xué)性能。與其它修飾PEDOT:PSS的緩沖層材料相比，DNA-CTMA是一種經(jīng)濟(jì)適用并且生物可降解的新型材料

10、，具有很大的潛力。
　　雖然DNA-CTMA與PEDOT:PSS混合緩沖層起到了很好的效果，但是依然不能取代 PEDOT:PSS。在(DNA)– cetyltrimethyl ammonium(CTMA)中，摻雜poly(styrene-sulfonate)(PSS)制備成DNA-CTMA:PSS，用來代替 PEDOT:PSS，作為一種新型的bio-organic陽極緩沖層材料，應(yīng)用在全溶液法制備的聚合物有機(jī)太陽能電池中，并對(duì)其電

11、池特性進(jìn)行了研究。Voc，Jsc，F(xiàn)F，和 PCE，是在100 mW/cm2(AM1.5)光照下測(cè)量。與常用的PEDOT:PSS空穴傳導(dǎo)材料相比，DNA-CTMA:PSS這種 bio-organic材料作為陽極緩沖層制備的器件 Jsc提高了9.20%，PCE提高了0.64%。PCE的增大主要來源于Jsc的增大。EQE在420到570 nm區(qū)間范圍有明顯提高。電池光透率在620到800 nm區(qū)間也同樣提高，主要由于DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)衍生其