PEDOT:PSS的掺杂和改性处理及其在有机太阳能电池中的应用

来源 :华中科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:walker1116_2009
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太阳能技术是解决能源短缺与环境污染的有效途径之一。基于有机聚合物半导体的太阳能电池具有低成本、柔性和可大面积印刷等优势,成为当前研究的热点。目前,在有机太阳能电池结构中,顶电极由金属电极组成,底电极由铟锡氧化物(ITO)组成。金属电极往往需要真空蒸镀制备,设备昂贵且工艺复杂;铟锡氧化物电极含有贵金属铟,材料稀缺且价格昂贵,同时ITO机械性能差。因此,发展低成本新型的电极材料成为有机太阳能电池研究的一个重要领域。本论文围绕导电聚合物“聚3,4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐”PEDOT:PSS进行研究。通过采用对溶液掺杂和薄膜后处理对PEDOT:PSS的光学、电导率以及功函数等性质进行调控,获得高电导率的PEDOT:PSS聚合物电极,并研究其作为电极的有机太阳能电池的光伏性能。主要内容如下:1.将一种非离子表面活性剂聚乙二醇2,5,8,11-甲基-6-十二炔-8-二醇醚(PEG-TmDD)作为掺杂剂掺入到PEDOT:PSS溶液,系统研究了掺杂浓度、薄膜退火温度与电导率之间的关系。当掺杂浓度为4%,退火温度为150?C时,制备的PEDOT:PSS薄膜的电导率可从1 S/cm(未掺杂)提高到526 S/cm。研究发现,PEG-TmDD经过加热退火会分解,生成乙二醇,乙二醇作为一种极性溶剂会导致PEDOT链与PSS链的分离,使得PEDOT链排列更加有序化,从而可以提升PEDOT:PSS的电导率。此外,PEG-TmDD可以提高PEDOT:PSS溶液在有机光活性层上的润湿性。将掺杂处理的PEDOT:PSS作为顶电极,取代真空蒸镀制备的金属电极,制备的反式结构的有机太阳能电池填充因子达到60%,光电转换效率达到4.1%。2.发展出了一种电导率可调、且可在柔性衬底上制备高透过率的PEDOT:PSS电极的酸处理方法。采用H3PO4对PEDOT:PSS薄膜进行后处理,其电导率可以提升至1460 S/cm。H3PO4腐蚀性较弱,不会对塑料衬底有任何的破坏;此外,采用H3PO4处理柔性衬底聚醚砜树脂PES上制备的PEDOT:PSS薄膜,具有比H2SO4处理的薄膜更高的透过率。进一步在酸处理后薄膜上,旋涂一层聚乙烯亚胺(PEI)溶液后,获得了低表面功函数、高电导率的PEDOT:PSS电极。将其作为底电极,取代导电玻璃ITO,实现了上下电极均为PEDOT:PSS薄膜的全塑料柔性太阳能电池:PES/PEDOT:PSS/PEI/P3HT:ICBA/PEDOT:PSS。在标准白光下,电池开路电压为0.84 V,填充因子为60%。此器件无需真空加工,无需导电玻璃ITO,还具有质量轻,柔性好,光可以从双面照射等优势,在有机柔性光电子领域展现了良好的应用潜力。
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