PEDOT：PSS薄膜的摻雜改性及其在有機太陽能電池中的應用研究.pdf

1、目前困擾有機太陽能電池發(fā)展的主要問題是器件效率偏低,如何提高它的能量轉(zhuǎn)換效率是其能否商業(yè)化和與傳統(tǒng)無機光伏電池競爭的關(guān)鍵。本文圍繞有機太陽能電池陽極修飾層聚3,4-乙撐二氧噻吩:聚(對苯乙烯磺酸)根陰離子(PEDOT:PSS)薄膜的摻雜改性及其在有機太陽能電池中的應用研究開展了相關(guān)工作,主要內(nèi)容與結(jié)論如下:
　　 1.采用共混-旋涂法在石英玻片上分別制備出經(jīng)多壁碳納米管(MWCNTs)、山梨醇、溴三種摻雜劑摻雜的PEDOT:PS

2、S透明導電膜,研究了不同摻雜劑的加入對薄膜透光性能與導電性能的影響。
　　 ①在550nm～850nm波段,多壁碳納米管摻雜使PEDOT:PSS薄膜透光性能有所降低,山梨醇與溴摻雜則有利于PEDOT:PSS薄膜透光性能的提高。
　　 ②多壁碳納米管、山梨醇、溴摻雜均可提高PEDOT:PSS薄膜的導電性能。其中,8wt％山梨醇摻雜可以使PEDOT:PSS薄膜的導電能力提高400多倍。6wt％溴摻雜可以使PEDOT:PSS薄

3、膜的導電能力提高近300倍。0.20wt％多壁碳納米管摻雜可以使PEDOT:PSS薄膜的導電能力提高約40倍。
　　 2.根據(jù)X射線衍射(XRD),掃描電鏡(SEM),原子力顯微鏡(AFM),X射線光電子能譜(XPS)等檢測結(jié)果,詳細研究了多壁碳納米管、山梨醇、溴三種摻雜劑的加入與PEDOT:PSS薄膜導電性能變化之間的內(nèi)在聯(lián)系。
　　 ①多壁碳納米管摻雜PEDOT:PSS薄膜的導電機理可以概括為二種效應,一是“共軛效應

4、”,二是碳管“網(wǎng)絡效應”。在多壁碳納米管微量摻雜階段(0.04wt％),碳管在薄膜中零星分布,相互之間少有接觸,此時,多壁碳納米管會與PEDOT主鏈中五元噻吩環(huán)發(fā)生π-π共軛作用,引起二者之間電子云密度的變化,從而增加了PEDOT主鏈載流子的離域化程度,有利于薄膜導電性能的提高。當多壁碳納米管摻雜含量達到0.10wt％時,多壁碳納米管在薄膜內(nèi)部形成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),新導電通道形成,有效提高薄膜導電性能。摻雜量超過0.20wt％時,由于碳管相互接

5、觸電阻增大,薄膜導電性能開始下降。
　　 ②山梨醇摻雜PEDOT:PSS薄膜導電機理:山梨醇的加入致使PEDOT主鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生發(fā)生苯-醌變化。苯式結(jié)構(gòu)的PEDOT分子以無規(guī)線團形卷曲狀存在,而醌式結(jié)構(gòu)的PEDOT分子表現(xiàn)為伸展形卷曲狀或直線狀。相比較而言,伸展形卷曲狀或直線狀鏈形態(tài)中局部有序結(jié)構(gòu)大幅增加,有利于載流子在PEDOT鏈中的遷移,從而表現(xiàn)為PEDOT:PSS薄膜電導率增加。
　　 ③溴摻雜PEDOT:PSS薄膜導

6、電機理:溴加入PEDOT:PSS水溶液中,會與水反應生成具有弱氧化性的氫溴酸;同時,溴在水中飽合時,還存在具有弱氧化性的溴分子。二種弱氧化物的存在,對于PEDOT:PSS薄膜會產(chǎn)生二種作用:一是釋放更多的電子,使PEDOT主鏈上空穴載流子濃度增加,增加薄膜導電性能;二是由于其氧化性的存在,對PEDOT的主鏈結(jié)構(gòu)會有所破壞,降低薄膜導電性能。當?shù)谝环N效應大于第二效應時,薄膜的導電性能表現(xiàn)為增加;而當?shù)诙N效應大于第一種效應時,薄膜的導電性

7、能表現(xiàn)為下降。
　　 3.以聚(3-己基噻吩)與1-(3-甲氧基羧基)-丙基-1-苯基-(6,6)C61共混物為光電活性層,制備了器件結(jié)構(gòu)不同的有機太陽能電池,分別考察了經(jīng)多壁碳納米管、山梨醇、溴摻雜處理后的PEDOT:PSS薄膜對器件光伏性能與穩(wěn)定性能的影響。
　　 ①多壁碳納米管與山梨醇的摻雜,增加了器件中的漏電流,降低了器件的并聯(lián)電阻,不利于器件效率的改善。溴摻雜對器件漏電流與并聯(lián)電阻未有明顯影響。
　　

8、②多壁碳納米管、山梨醇、溴摻雜均可降低器件串聯(lián)電阻,提高光電池能量轉(zhuǎn)換效率。6wt％溴摻雜條件下,器件開路電壓為0.60V,短路電流為10.31mA/cm2,FF為51.1,能量轉(zhuǎn)換效率為3.16％,較未摻雜器件效率提高了約49％。8wt％山梨醇摻雜條件下,器件開路電壓為0.53V,短路電流為11.27 mA/cm2,FF為49.1,能量轉(zhuǎn)換效率為2.93％,較未摻雜器件效率提高了約38.2％。0.04wt％多壁碳納米管摻雜條件下,器件