PEDOT-PSS界面修飾及其ITO-free聚合物太陽電池.pdf

1、聚合物太陽電池(PSCs)因其突出優(yōu)勢，在近十年來取得到了巨大的發(fā)展，最新報道PSCs單電池的效率已突破10％，基本能達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用要求。為了獲得20%的PSCs電池最大轉(zhuǎn)化效率(PCE)，除了合成新的窄帶系材料得到更好的光電轉(zhuǎn)化效率，采用界面修飾來減小電池器件內(nèi)部的能量損失是獲得高的能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。隨著電池器件高效率的PCE獲得，電池器件的穩(wěn)定性也成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。同時，因目前廣泛使用的銦錫氧化物(ITO)電極存在本質(zhì)的缺點(diǎn)，如

2、高的機(jī)械脆性、銦資源稀缺、其與聚合物粘結(jié)性差等，不適合大面積柔性印刷及規(guī)?；苽浯竺娣e電池器件，因此替代ITO電極的透明電極的研究勢在必行。
　　導(dǎo)電聚合物聚(3,4-乙撐二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT:PSS)是一種很好的陽極界面修飾材料，同時也是一種很好的透明電極材料，目前，已被廣泛應(yīng)用于PSCs陽極緩沖層以提高器件效率，以及研究應(yīng)用于透明電極替換ITO電極。但是該膜中高含量的酸性的PSS對ITO電極造成腐蝕，極大影響

3、了電池器件的效率及穩(wěn)定性，而高含量的不導(dǎo)電PSS也導(dǎo)致其低的電導(dǎo)率，不利于空穴及電荷的傳輸，同時，未修飾膜低的電導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到太陽電池透明電極的應(yīng)用要求。因此，本文主要圍繞PEDOT:PSS界面修飾改性、PEDOT:PSS透明電極以及其應(yīng)用于聚合物電池器件研究開展工作：修飾改性PEDOT:PSS提高電池器件效率，通過界面修飾提高電池器件穩(wěn)定性，調(diào)控PEDOT:PSS膜微觀形貌有序性，從而提高改性膜的電導(dǎo)率，制備高電導(dǎo)率透明電極應(yīng)用于IT

4、O-free電池器件的研究。論文具體內(nèi)容如下：
　　首先，本文研究采用低成本的聚合物電解質(zhì)通過一種簡單溫和的方法對PEDOT:PSS(PVP Al4083)膜進(jìn)行表面修飾，并以修飾的PVP Al4083雙分子層膜為太陽能電池陽極緩沖層，制備得到了高的短路電流的聚合物太陽能電池器件。通過旋涂把聚合物電解質(zhì)SPES旋涂于PVP Al4083膜上，以該改性膜為陽極緩沖層得到的電池器件電流達(dá)到21.66mA cm-2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SPE

5、S的修飾，替代了PVP Al4083膜中大部分不導(dǎo)電的PSS，從而形成了連續(xù)的PEDOT導(dǎo)電區(qū)域，提高了修飾膜的電導(dǎo)率，同時更有利于與活性層的界面接觸，因而，得到了高的器件短路電流。然而經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，電池器件得到的高的電流其中一部分原因歸結(jié)于SPES修飾PVP Al4083得到高電導(dǎo)率膜產(chǎn)生的二次電極作用。因此，通過一系列基于不同面積的聚合物太陽電池器件制備及光伏性能研究，我們有效排除了電池器件的二次電極效應(yīng)，并提出，采用高導(dǎo)電的材料應(yīng)用

6、于電極界面修飾時，應(yīng)排除其產(chǎn)生的二次電極效應(yīng)，從而確定真實(shí)有效的電池器件面積。SPES修飾改性除了在空穴緩沖層得到很好的應(yīng)用，還能應(yīng)用于透明電極。以SPES修飾的PEDOT:PSS(PH1000)膜為透明電極的ITO-free電池器件，電池器件的光伏性能，相對于未改性的PH1000為電極的電池器件，得到了大幅度的提高，其PCE與基于ITO電極的電池器件相當(dāng)。研究表明，采用SPES溶液過程修飾 PEDOT:PSS，在制備高效聚合物太陽電池

7、及大面積柔性印刷制備光伏器件有潛在的應(yīng)用價值。
　　接著，我們采用兩種液晶化的離子液體(LCILs)即1-十六烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽([C16MIm]PF6)和1-十六烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([C16MIm]BF4)及MoO3共同修飾PEDOT:PSS(PVP Al4083)制備多層空穴傳輸，提高電池器件的效率及穩(wěn)定性，制備高效穩(wěn)定的聚合物太陽電池。采用溶液法將MoO3層引入ITO與PVP Al4083膜之間，避免PV

8、P Al4083的酸性對ITO的腐蝕，有效提高電池器件的穩(wěn)定性及PEDOT的電荷選擇性，同時將LCILs溶液旋涂于PVP Al4083膜上，利用LCILs液晶誘導(dǎo)PEDOT微觀形貌的有序，提高PVP Al4083膜的電導(dǎo)率?；贛oO3/PVP Al4083/[C16MIm]PF6和MoO3/PVP Al4083/[C16MIm]BF4為空穴傳輸層，P3HT:PC61BM為活性層，有效面積為18mm2的電池器件PCE從2.3%(以PVP

9、 Al4083為空穴傳輸層)分別提高到3.0%和2.8%。同時，研究證明，基于MoO3/PVP Al4083/LCIL空穴傳輸層的聚合物電池器件穩(wěn)定性最好。因此，這種新型的MoO3/PVP Al4083/LCILs空穴傳輸層材料為制備高效穩(wěn)定的電池器件提供可參考的方法。
　　在此基礎(chǔ)上，我們采用[C16MIm]PF6和[C16MIm]BF4兩種LCILs修飾PH1000作為透明電極并制備了高效的ITO-free聚合物太陽電池。LC

10、ILs修飾能有效除去PH1000表面的大量的絕緣的PSS，并誘導(dǎo)調(diào)控PEDOT形成連續(xù)的而有序的分子堆砌結(jié)構(gòu)。同時，LCILs液晶的自組裝取向性既能誘導(dǎo)PH1000形貌有序又能誘導(dǎo)上層活性層的結(jié)晶。采用[C16MIm]PF6和[C16MIm]BF4修飾 PH1000的電導(dǎo)率得到大幅度提高，從未修飾膜的0.4S cm-1分別提高到1457.7Scm-1和1243.8S cm-1。以PTB7:PC71BM為活性層，基于[C16MIm]PF6

11、和[C16MIm]BF4修飾PH1000為電極，有效面積為18mm2的電池器件效率分別提高到4.6%和4.5%，電池器件的轉(zhuǎn)換效率高于基于ITO電極的電池器件或是與基于ITO電極的電池器件效率相當(dāng)。因LCILs修飾提高了PH1000膜的電導(dǎo)率，陽極與活性層形成更好的接觸以及優(yōu)化了電極和活性層的形貌，有效提高電池器件能量轉(zhuǎn)換效率。此外，LCILs修飾獲得更好的能級匹配提高了電荷的注入與傳輸，不需要陽極緩沖層，簡化了電池器件的結(jié)構(gòu)。并且，這