聚合物太陽(yáng)能電池相行為的電特性掃描探針顯微技術(shù)研究.pdf

1、聚合物太陽(yáng)能電池(polymer solar cell，PSC)因其低價(jià)、柔性、可大面積制備等特點(diǎn)成為目前能源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。目前的研究主要集中在對(duì)于電子給體、電子受體材料的設(shè)計(jì)合成、活化層成膜條件方面，對(duì)于在體相異質(zhì)結(jié)界面處電荷分離以及電池失效的微觀機(jī)制方面的研究卻很缺乏。本課題將以聚合物體相異質(zhì)結(jié)(BHJ，bulk heterojunction)聚合物太陽(yáng)能電池為模型，以聚3-己基噻吩：[6，6]-苯基C61丁酸甲酯(P3HT：

2、PCBM)活化層薄膜體系為研究對(duì)象，利用靜電力顯微技術(shù)(Electric force microscopy，EFM)研究其相分離結(jié)構(gòu)、電荷分離特性等與器件效率之間的關(guān)聯(lián)，并對(duì)其熱失效機(jī)制進(jìn)行了初步的探索。主要研究結(jié)果如下：
　　一、不同P3HT：PCBM比例對(duì)聚合物太陽(yáng)能器件效率的影響。制備了P3HT：PCBM質(zhì)量比為3:1、2:1、1:1、1:2、1:3的器件，并對(duì)所有器件進(jìn)行了相同的110℃熱退火10 min的處理。測(cè)試發(fā)現(xiàn)P

3、3HT：PCBM質(zhì)量比為1:1時(shí)所得器件效率最高，達(dá)到了4%，隨P3HT：PCBM比例從3:1變到1:3，薄膜表面粗糙度從15.6 nm降低到1.48 nm，利用EFM對(duì)其相分離特性及表面電勢(shì)進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)隨著P3HT：PCBM質(zhì)量比例的逐漸降低，相分離的尺度逐漸減小，當(dāng)P3HT：PCBM為3:1，2:1時(shí)，體系發(fā)生了較大尺度的相分離，在1:1時(shí)相分離尺度較小，而在1:2及1:3時(shí)，幾乎觀察不到相分離；P3HT：PCBM為1:1所制得的

4、薄膜形成的微觀互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較好，有利于電荷的分離及傳輸，因而得到了最高的器件效率，觀察了P3HT：PCBM薄膜在暗場(chǎng)及光照條件下表面電勢(shì)的變化情況，發(fā)現(xiàn)比例在3:1，2:1及1:1時(shí)，表面電勢(shì)降低，說(shuō)明在表面有負(fù)電荷的聚集，而在比例1:2及1:3時(shí)，表面電勢(shì)幾乎沒(méi)有變化。
　　二、研究了不同熱處理溫度及時(shí)間對(duì)器件效率的影響，分別測(cè)得了70℃、110℃、150℃、190℃熱退火10 min、30 min、60 min、90 min后

5、所得的器件效率，在70℃熱退火90 min以及150℃熱退火30 min的條件下器件效率分別達(dá)到了4.4%及4.6%，隨著熱處理溫度由70℃升高到190℃，薄膜表面粗糙度越來(lái)越大，而器件效率則呈現(xiàn)先上升后下降的過(guò)程，隨著熱處理時(shí)間的增長(zhǎng)，表面粗糙度同樣顯示出增大的趨勢(shì)，器件效率先是增加，到達(dá)30 min以后，逐漸降低，利用紫外可見(jiàn)吸收光譜發(fā)現(xiàn)，與未經(jīng)熱處理的活化層薄膜相比，吸收峰發(fā)生了明顯的紅移。利用EFM相位圖像可以清楚地觀察到相分離

6、的情況，未經(jīng)熱處理時(shí)，P3HT無(wú)規(guī)排布，沒(méi)有形成較好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當(dāng)經(jīng)過(guò)150℃熱處理過(guò)程后，使得PCBM以納米晶粒的形式較為均勻的分散于P3HT晶體周圍，二者形成良好的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為載流子的高效傳輸提供了路徑，因此器件效率有了很大的提高。對(duì)三種熱處理?xiàng)l件下獲得的P3HT：PCBM體系異質(zhì)結(jié)薄膜的形貌及光照前后的表面電勢(shì)進(jìn)行了比較。在未熱處理時(shí)，表面形貌粗糙度較小，薄膜很平整，表面電勢(shì)均一分布，經(jīng)過(guò)150℃熱處理30 min后，從形貌上

7、可以看出形成更好的規(guī)則結(jié)構(gòu)，有大量尺寸較小的Cluster形成，有利于電荷分離，而當(dāng)熱處理溫度為190℃時(shí)，形貌像及表面電勢(shì)圖像顯示表面粗糙度大大增加，出現(xiàn)了較多的大聚集體，導(dǎo)致兩者有效界面的減少，降低了電荷的分離效率，最終導(dǎo)致器件效率的降低。
　　三、在變溫條件下對(duì)聚合物太陽(yáng)能電池的熱失效機(jī)制進(jìn)行了探索。選取70℃熱處理90 min及150℃熱處理30 min兩個(gè)最高能量轉(zhuǎn)換效率的熱處理?xiàng)l件，分別得到了其在室溫及70℃下的失效曲

8、線，發(fā)現(xiàn)150℃熱處理30 min條件制得的器件穩(wěn)定性要高于70℃熱處理90 min所得的器件，對(duì)其活化層形貌的變化進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)150℃熱處理30 min所得活化層薄膜具有更好的骨架結(jié)構(gòu)而70℃熱處理90 min所得活化層薄膜雖然也形成了較好的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，得到較高的效率，但其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，在較高溫度下容易被破壞，從而降低其能量轉(zhuǎn)換效率。
　　獲得了國(guó)際有機(jī)光伏穩(wěn)定性峰會(huì)(ISOS)推薦的標(biāo)準(zhǔn)熱失效方案下的25℃，85℃以及