PEDOT:PSS界面修饰及其ITO-free聚合物太阳电池

摘要

聚合物太阳电池(PSCs)因其突出优势，在近十年来取得到了巨大的发展，最新报道PSCs单电池的效率已突破10％，基本能达到商业化应用要求。为了获得20%的PSCs电池最大转化效率(PCE)，除了合成新的窄带系材料得到更好的光电转化效率，采用界面修饰来减小电池器件内部的能量损失是获得高的能量转换效率的关键。随着电池器件高效率的PCE获得，电池器件的稳定性也成为人们关注的热点。同时，因目前广泛使用的铟锡氧化物(ITO)电极存在本质的缺点，如高的机械脆性、铟资源稀缺、其与聚合物粘结性差等，不适合大面积柔性印刷及规模化制备大面积电池器件，因此替代ITO电极的透明电极的研究势在必行。
　　导电聚合物聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)是一种很好的阳极界面修饰材料，同时也是一种很好的透明电极材料，目前，已被广泛应用于PSCs阳极缓冲层以提高器件效率，以及研究应用于透明电极替换ITO电极。但是该膜中高含量的酸性的PSS对ITO电极造成腐蚀，极大影响了电池器件的效率及稳定性，而高含量的不导电PSS也导致其低的电导率，不利于空穴及电荷的传输，同时，未修饰膜低的电导率远远达不到太阳电池透明电极的应用要求。因此，本文主要围绕PEDOT:PSS界面修饰改性、PEDOT:PSS透明电极以及其应用于聚合物电池器件研究开展工作：修饰改性PEDOT:PSS提高电池器件效率，通过界面修饰提高电池器件稳定性，调控PEDOT:PSS膜微观形貌有序性，从而提高改性膜的电导率，制备高电导率透明电极应用于ITO-free电池器件的研究。论文具体内容如下：
　　首先，本文研究采用低成本的聚合物电解质通过一种简单温和的方法对PEDOT:PSS(PVP Al4083)膜进行表面修饰，并以修饰的PVP Al4083双分子层膜为太阳能电池阳极缓冲层，制备得到了高的短路电流的聚合物太阳能电池器件。通过旋涂把聚合物电解质SPES旋涂于PVP Al4083膜上，以该改性膜为阳极缓冲层得到的电池器件电流达到21.66mA cm-2。实验结果表明，SPES的修饰，替代了PVP Al4083膜中大部分不导电的PSS，从而形成了连续的PEDOT导电区域，提高了修饰膜的电导率，同时更有利于与活性层的界面接触，因而，得到了高的器件短路电流。然而经研究发现，电池器件得到的高的电流其中一部分原因归结于SPES修饰PVP Al4083得到高电导率膜产生的二次电极作用。因此，通过一系列基于不同面积的聚合物太阳电池器件制备及光伏性能研究，我们有效排除了电池器件的二次电极效应，并提出，采用高导电的材料应用于电极界面修饰时，应排除其产生的二次电极效应，从而确定真实有效的电池器件面积。SPES修饰改性除了在空穴缓冲层得到很好的应用，还能应用于透明电极。以SPES修饰的PEDOT:PSS(PH1000)膜为透明电极的ITO-free电池器件，电池器件的光伏性能，相对于未改性的PH1000为电极的电池器件，得到了大幅度的提高，其PCE与基于ITO电极的电池器件相当。研究表明，采用SPES溶液过程修饰 PEDOT:PSS，在制备高效聚合物太阳电池及大面积柔性印刷制备光伏器件有潜在的应用价值。
　　接着，我们采用两种液晶化的离子液体(LCILs)即1-十六烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([C16MIm]PF6)和1-十六烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([C16MIm]BF4)及MoO3共同修饰PEDOT:PSS(PVP Al4083)制备多层空穴传输，提高电池器件的效率及稳定性，制备高效稳定的聚合物太阳电池。采用溶液法将MoO3层引入ITO与PVP Al4083膜之间，避免PVP Al4083的酸性对ITO的腐蚀，有效提高电池器件的稳定性及PEDOT的电荷选择性，同时将LCILs溶液旋涂于PVP Al4083膜上，利用LCILs液晶诱导PEDOT微观形貌的有序，提高PVP Al4083膜的电导率。基于MoO3/PVP Al4083/[C16MIm]PF6和MoO3/PVP Al4083/[C16MIm]BF4为空穴传输层，P3HT:PC61BM为活性层，有效面积为18mm2的电池器件PCE从2.3%(以PVP Al4083为空穴传输层)分别提高到3.0%和2.8%。同时，研究证明，基于MoO3/PVP Al4083/LCIL空穴传输层的聚合物电池器件稳定性最好。因此，这种新型的MoO3/PVP Al4083/LCILs空穴传输层材料为制备高效稳定的电池器件提供可参考的方法。
　　在此基础上，我们采用[C16MIm]PF6和[C16MIm]BF4两种LCILs修饰PH1000作为透明电极并制备了高效的ITO-free聚合物太阳电池。LCILs修饰能有效除去PH1000表面的大量的绝缘的PSS，并诱导调控PEDOT形成连续的而有序的分子堆砌结构。同时，LCILs液晶的自组装取向性既能诱导PH1000形貌有序又能诱导上层活性层的结晶。采用[C16MIm]PF6和[C16MIm]BF4修饰 PH1000的电导率得到大幅度提高，从未修饰膜的0.4S cm-1分别提高到1457.7Scm-1和1243.8S cm-1。以PTB7:PC71BM为活性层，基于[C16MIm]PF6和[C16MIm]BF4修饰PH1000为电极，有效面积为18mm2的电池器件效率分别提高到4.6%和4.5%，电池器件的转换效率高于基于ITO电极的电池器件或是与基于ITO电极的电池器件效率相当。因LCILs修饰提高了PH1000膜的电导率，阳极与活性层形成更好的接触以及优化了电极和活性层的形貌，有效提高电池器件能量转换效率。此外，LCILs修饰获得更好的能级匹配提高了电荷的注入与传输，不需要阳极缓冲层，简化了电池器件的结构。并且，这个新型的PH1000/LCIL阳极对窄带系的活性材料有普适性的应用，因此该材料在制备高效率、大面积柔性及打印PSCs具有潜在的应用价值。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 聚合物太阳电池

1.3 透明电极

1.4 研究内容和创新性

第2章 磺化聚合物修饰改性PEDOT:PSS为空穴传输层及透明电极用于聚合物太阳电池

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 实验结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 液晶化离子液体与MoO3修饰PEDOT:PSS制备高效稳定的聚合物太阳电池

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 实验结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 液晶化离子液体诱导调控PEDOT:PSS微观形貌及其应用于透明电极

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 实验结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果