改性PEDOT-PSS薄膜及其在聚合物太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用研究.pdf

1、作為一種新型可再生能源，聚合物太陽(yáng)能電池具有成本低廉，制備工藝簡(jiǎn)單，可以采用柔性基底通過(guò)卷對(duì)卷方式進(jìn)行大面積制備等優(yōu)點(diǎn)，在過(guò)去的20余年來(lái)引起了研究人員越來(lái)越多的關(guān)注。通過(guò)開發(fā)新型共軛聚合物給體材料和富勒烯衍生物受體材料以及界面工程的發(fā)展，聚合物太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)近年來(lái)得到了穩(wěn)步的提高，而如何進(jìn)一步提高其效率則一直是聚合物太陽(yáng)能電池的研究重點(diǎn)。本論文集中于對(duì)PEDOT∶PSS進(jìn)行改性以提高其導(dǎo)電性并將其作為空穴傳輸層應(yīng)用

2、于聚合物太陽(yáng)能電池，主要開展了以下幾方面的工作:
　　(1)通過(guò)將溴化銅(CuBr2)直接摻雜到PEDOT∶PSS溶液中提高其薄膜的導(dǎo)電性，并將其作為空穴傳輸層應(yīng)用于聚合物太陽(yáng)能電池，顯著地提高了電池的能量轉(zhuǎn)換效率。摻雜后的PEDOT∶PSS薄膜導(dǎo)電率得到顯著的提升并使電池器件的能量轉(zhuǎn)換效率得到提升。在優(yōu)化的CuBr2摻雜濃度10 mmol·L-1下，CuBr2改性的PEDOT∶PSS薄膜(CuBr2∶PEDOT∶PSS)的導(dǎo)電率

3、達(dá)5.6×10-2 S·cm-1，相比于未摻雜的PEDOT∶PSS薄膜提高了近300倍將CuBr2∶PEDOT∶PSS作為空穴傳輸層應(yīng)用于基于PCDTBT∶PC71BM體系的體相異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的聚合物太陽(yáng)能電池中，電池能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了7.05％，相比于以未摻雜的PEDOT∶PSS作為空穴傳輸層的電池效率(5.84％)提高了約20.7％，該效率為迄今為止基于PCDTBT∶PC71BM體系沒(méi)有引入電子傳輸層的聚合物太陽(yáng)能電池的最高效率。PED

4、OT∶PSS薄膜電導(dǎo)率的顯著提高主要是由于引入CuBr2導(dǎo)致PEDOT組分與PSS組分之間的庫(kù)倫作用力的減弱導(dǎo)致的。掃描開爾文探針(SKPM)測(cè)試結(jié)果表明CuBr2摻雜還導(dǎo)致PEDOT∶PSS薄膜的表面功函數(shù)略有增加，從而使得PEDOT∶PSS薄膜的空穴傳輸能力提高。
　　(2)通過(guò)將新型兩性離子化合物3-嗎啉基-2-羥基丙磺酸(MOPSO)直接摻雜到PEDOT∶PSS溶液中，使得PEDOT∶PSS薄膜的電導(dǎo)率以及以PEDOT∶P

5、SS作為空穴傳輸層的聚合物太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率得到了顯著提高。在優(yōu)化的MOPSO摻雜濃度20 mmol·L-1下，MOPSO改性的PEDOT∶PSS薄膜(MOPSO∶PEDOT∶PSS)的電導(dǎo)率比未摻雜的PEDOT∶PSS薄膜提高了大約兩個(gè)數(shù)量級(jí)，電導(dǎo)率的提高主要是由于MOPSO的摻雜導(dǎo)致了PEDOT組分與PSS組分之間的庫(kù)倫作用力減弱造成的。將MOPSO∶PEDOT∶PSS作為空穴傳輸層應(yīng)用于基于不同光活性層P3HT∶PC61BM

6、、PCDTBT∶PC71BM和PTB7∶PC71BM體系的聚合物太陽(yáng)能電池，相比于以未摻雜的PEDOT∶PSS作為空穴傳輸層的參比電池而言，其能量轉(zhuǎn)換效率均得到了明顯的提高，最高的電池能量轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到了3.62％、7.03％和7.56％。電池效率的提高主要?dú)w因于短路電流的提高，而這一提高主要是由于MOPSO摻雜PEDOT∶PSS空穴傳輸層引起的活性層光吸收的增加、PEDOT∶PSS功函數(shù)的降低以及PEDOT∶PSS薄膜電導(dǎo)率的提高共

7、同作用的結(jié)果。
　　(3)通過(guò)在PEDOT∶PSS薄膜表面旋涂一層新型有機(jī)小分子化合物3-羥基丙磺酸(HPSA)，制備了PEDOT∶PSS/HPSA雙層膜作為一種替代ITO的新型透明電極。PEDOT∶PSS/HPSA雙層膜透明電極的電導(dǎo)率達(dá)到1020 S·cm-1，在可見光區(qū)的透光率超過(guò)了80％。通過(guò)AFM，拉曼和紫外吸收光譜表征，我們發(fā)現(xiàn)PEDOT∶PSS薄膜導(dǎo)電性提高主要是兩方面的作用。一方面，在PEDOT∶PSS表面旋涂HP

8、SA甲醇溶液首先導(dǎo)致薄膜表面部分PSS組分被甲醇溶液除去;另一方面，在甲醇的溶脹作用下，HPSA分子滲透到PEDOT∶PSS薄膜內(nèi)部。由于HPSA分子中帶負(fù)電的磺酸根基團(tuán)與帶正電的PEDOT鏈相互作用導(dǎo)致薄膜中PEDOT鏈與PSS鏈之間的庫(kù)侖力減弱，而羥基則與親水性的PSS鏈相互作用，進(jìn)一步促進(jìn)了PEDOT鏈與PSS鏈的分離，使PEDOT鏈擺脫P(yáng)SS組分的纏繞從而重新排列，形成了鏈鏈相連的連續(xù)通道，促進(jìn)了載流子在PEDOT鏈與鏈之間的傳