基于P3HT:PCBM的体异质结有机太阳能电池退火工艺的研究

摘要

能源危机、气候问题等使得太阳能这一绿色能源为人们广泛利用。太阳能电池的研究也随着新型材料的不断出现而不断革新。有机材料因其制作容易，材料来源广泛，成本低等优势推进了有机太阳能电池在全球的研究。目前有机太阳能电池正逐步提高其能量转换效率，在迈向商业化、工业化生产的道路不断前进。
　　 退火处理作为一种常用的提高有机太阳能电池器件性能的方法，其机理已经在实践研究中不断探索验证。但退火处理仍有许多细节工艺等问题去研究，以获得更高的能量转换效率和大规模工业化生产的可行性。本文主要对基于P3HT:PCBM混合体系体异质结有机太阳能电池退火工艺研究，按照控制变量法做退火对比试验，系统地对真空干燥箱中阶梯型退火和有别于传统热传导的新型微波退火处理模式进行了研究。
　　 制备了器件结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/A1的体异质结有机光伏器件。采用后退火的模式，在固定退火时间20分钟，退火温度在90℃至210℃内选取不同温度，得出140℃至160℃温度段内，短路电流在9.5mA/cm2以上，能量转换效率高于2.50％，器件性能明显好于其他温度；在固定温度150℃，时间范围在10min～60min内选取不同退火时间，得出在15～30min内，短路电流可保持在9mA/cm2以上，能量转换效率高于2.50％，其他退火时间则会出现性能的下降。
　　 结合退火温度和时间的研究，实验对比得出阶梯型退火方式的效果。初始140℃加热5min，转入150℃加热10min，最后160℃5min处理的退火方式得到的器件性能参数明显好于其他对比器件。主要表现在短路电流Jsc的提高，最高可达10.34mA/cm2，这也导致其能量转换效率η达到3.31％，填充因子超过50％，是对比器件中性能最佳的。通过对器件串联电阻和外量子效率的测试，解释阶梯型退火器件高性能的原因。
　　 微波加热的方式完全区别于其他常规的热传导加热方式，采用微波振荡对活性层进行退火处理，这种非接触性且快速的退火方法，对器件的活性层、电极等部分进行选择性进行作用。同种器件采用微波退火处理方式耗能仅为普通退火的60％，但性能参数达到或超过普通热传导退火模式。考虑活性层经过微波退火处理后的U-V吸收谱线和表面形貌的SEM图，得出微波退火主要改善了活性层内部网状通路，聚合物出现纤维状和结晶状况，粗糙度高的表面积变大，有利于激子在界面处的解离，提高载流子迁移率和电荷传输。
　　 之前研究对以上退火工艺工作关注和研究较少，本文系统地做了相关实验，为今后有机太阳能电池大面积、规模化生产中退火工艺有很好的参考价值。