掺杂二甲亚砜的PEDOT:PSS薄膜的制备及在有机太阳能电池的应用

摘要

近年来，有机太阳能电池取得了很大的进展。聚（3，4-乙撑二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)作为一种新型的导电聚合物，因其在空气中结构稳定和电导率高，引起了研究人员的广泛关注。近期更有很多报道，通过加引入高沸点极性有机溶剂，如：二甲亚砜、山梨醇、丙三醇等，能够进一步改善PEDOT:PSS薄膜的导电特性。这种经过改良的导电聚合物材料，因具有相当高的电导率，已经被广泛应用于有机电致发光、有机太阳能电池等有机半导体器件的各个领域。
　　 大量的研究表明加入高沸点极性有机溶剂能提高PEDOT:PSS的电导率，但其物理本质、改性机理目前还缺乏系统的论述。本论文主要针对PEDOT:PSS的掺杂改性进行了一些工作：
　　 首先，通过引入二甲亚砜，采用控制变量法制备掺杂二甲亚砜的PEDOT:PSS薄膜并研究掺杂二甲亚砜对PEDOT:PSS导电性的影响及其本质。实验结果表明，当掺杂二甲亚砜为4％（体积分数）时，PEDOT:PSS薄膜的电导率最高，从8.84×10-2S/cm增加到89.69S/cm。同时通过研究紫外-可见吸收光谱、红外光谱分析、原子力显微镜(AFM)图表明二甲亚砜的加入未改变PEDOT:PSS的分子结构。
　　 接下来分别研究了未改性和改性后的PEDOT:PSS作为阳极缓冲层对有机太阳能电池器件性能的影响。结果表明：用未改性的PEDOT:PSS作阳极缓冲层所制备的电池器件短路电流和开路电压比没有阳极缓冲层的器件都有很大提高，短路电流密度(ISC)从1.04mA/cm2提高到9.77 mA/cm2，开路电压(VOc)从0.03V提高到0.59V，填充因子(FF)由24.7％提高到48.01％，导致能量转换效率(PCE)从0.0079％提高到2.77％，提高了3个数量级。而改性后的PEDOT:PSS作为阳极缓冲层与未改性的PEDOT:PSS作阳极缓冲层的器件相比，器件的性能又有明显的提高。当掺杂4％二甲亚砜的PEDOT:PSS作阳极缓冲层时，器件的短路电流密度(Isc)从9.94mA/cm2提高到14.56mA/cm2。能量转换效率(PCE)从2.73％提高到3.34％。
　　 最后尝试用掺杂的PEDOT:PSS作有机太阳能电池的阳极。用PEDOT:PSS作有机太阳能电池的电极有望实现全溶液法制各有机太阳能电池，其制作成本低，制备方法简单。实验所制备的电池是反转有机太阳能电池，器件结构为ITO/Cs2CO3/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS。主要研究了不同温度的退火对反转有机太阳能电池器件的影响。得出退火温度为120℃的电池器件性能好，器件的能量转换效率(PCE)为0.65％。虽然器件的能量转换效率只达到0.65％，但可以通过对器件不同方面的改进，如加入阳极缓冲层，改变整个器件的退火温度等方式进一步提高器件性能。