活性層優(yōu)化及電極界面修飾對(duì)聚合物電池性能的影響.pdf

1、有機(jī)聚合物太陽(yáng)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(guò)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(duì)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(yáng)電池受到了國(guó)內(nèi)外研究小組的廣泛關(guān)注，成為近年來(lái)太陽(yáng)能電池技術(shù)最熱門(mén)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(yáng)電池的能量轉(zhuǎn)化效率(PCE)已超過(guò)10％，達(dá)到了商業(yè)化生產(chǎn)的要求，聚合物太陽(yáng)電池也因此最有希望成為

2、下一代商業(yè)化的太陽(yáng)能電池產(chǎn)品之一。目前聚合物太陽(yáng)電池的研究主要集中在多功能新型聚合物材料的開(kāi)發(fā)和對(duì)器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能的優(yōu)化等方面。
　　 本論文針對(duì)目前聚合物太陽(yáng)電池存在的問(wèn)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(kāi)對(duì)聚合物電池的研究，從兩個(gè)方面對(duì)聚合物太陽(yáng)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?jī)?nèi)容和成果如下：
　　 第一，在室溫范圍、空氣中、無(wú)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(yáng)電池。研究了旋涂轉(zhuǎn)速、旋涂時(shí)間和室內(nèi)溫度三者對(duì)活性層溶劑揮發(fā)速率的影響。研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)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(wú)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(guó)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(duì)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(guò)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(huì)降低器件的性能。通過(guò)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(duì)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(duì)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(lèi)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(duì)聚合物電池性能參數(shù)影響的基礎(chǔ)上，借鑒無(wú)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(duì)太陽(yáng)光譜的吸收和利用。通過(guò)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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)聚合物太陽(yáng)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(jí)。EG和DMSO摻雜PEDOT：PSS后，薄膜的透過(guò)率幾乎沒(méi)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(yáng)電池，避免了由于使用具有腐蝕性和親水

10、性的PEDOT：PSS帶來(lái)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(duì)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(duì)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