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有机太阳能电池中相分离研究_孙南海.pdf

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有机太阳能电池中相分离研究_孙南海.pdf

湖 南 农 机 2013 年 11 月在过去几年里,基于有机材料的体异制结太阳能电池研究越来越普遍, 因为它们有着成本低 、 重量轻 、 可柔性化和大面积制备等优点 。 最近, 效率达到 6%的纯有机太阳能电池已有报导 。 然而, P3HT 体系的电池仍然是现在研究的重点 。 在这个体系中,对活性层相分离的研究仍然是制备高效率太阳能电池的重要部分 。 另一方面, 高结晶度的 P3HT 会增加电子空穴对的分离, 这会大大增加空穴被阳极的吸收 。 如果界面中发生严重的相分离, P3HT 和 PCBM 的晶粒和团簇会大大增加,同样, 电子空穴对的复合也会相应增加 。 这是因为 PCBM 团聚形成大量点状和针状的结构后, 会使器件的效率大为降低 。 因此,为了得到高效率的太阳能电池,就必须找到 P3HT 和PCBM 晶粒的合适大小 。 然而, 对太阳能电池性能有影响的相分离机制还并不清楚,虽然之前也有很多报道来说明点状或针状的结构 。 现在普遍的研究结果认为, 活性层中 P3HT 的结晶较大, 容易发现, 而 PCBM 的结晶较小, 不容易发现, 并且形状没有唯一性 。本文中,我们在改变活性层中 PCBM 配比的情况下研究了 P3HT 和 PCBM 的 相 分 离 性 况 , PCBM 的 比 例 从 30% 到70%进行变化 。 同时, 活性层和金属 Al 电极之间的界面情况也作了研究 。1 实验太阳能电池的制作和测试步骤如下( 1 ) 清洗 。 先用清洁济和抛光粉 ( Al 2 O 3 粉 ) 将 FTO( Rsheet=15 Ω sq-1 ) 玻璃擦拭一遍, 接着用去离子水冲干净, 然后分别用丙酮 、 酒精 、 去离子水分别超声清洗 20 分钟, 最后将洗干净的玻璃放入烘箱中 ( 100 ℃ ) 干燥 。( 2 ) 沉积 NiO 膜 。 将清洗干净的 FTO 玻璃基底和 ITO 塑料基底放入磁控溅射真空腔内, 靶选用金属 Ni 靶, 通以一定比例的氧气和氩气 ( O 2 =30% ) , 在真空优于 3*10-3Pa 的条件下, 室温, 80W 溅射 5 分钟即可 。( 3 ) 配制有源层 ( active layer ) 溶液 。 将 P3HT (聚 3- 己基噻吩, Mw=87 kg mol1 ) 和 PCBM (一种 C60 的衍生物 ) 等量溶解于氯苯中, 溶液浓度 20mg/ml 。 配好后的溶液在室温下搅拌24 小时, 待用 。( 4 ) 匀胶 、 蒸发电极 。 将溅射完 NiO 的 FTO 玻璃衬底和ITO 柔性衬底先后放在匀胶机中,以甩胶的方式将 P3HTPCBM 溶液粘附在衬底表面, 转速 1500rpm 。 甩完后, 放入蒸发设备中在 P3HTPCBM 膜 ( 100nm ) 的表面蒸一层约 300nm 厚的 Al 作为电池的阴极 。( 5 ) 退火 。 将做好的电池放入充满高纯氮气的手套箱中150 ℃ 退火 6 分钟, 冷却后取出测试 。( 6 ) 测试 。 电池的 I-V 特性曲线测试用的是 2400 ( Keith-ley Instruments Inc., USA ) , 光 源 是 Oriel 91192 ( AM 1.5,Global ) , 电池有效面积是 0.2cm 2 。 测试前光强已经用 Si-1787光电二极管 (光谱范围 320 ̄730nm ) 校准到 100mWcm-2 。 所有的测试都是在大气的环境下进行的 。有机太阳能电池中相分离研究孙 南 海( 洛阳理工学院 , 河南 洛阳 471000)摘 要 有机 太 阳 能 电 池 中 活 性 层 间 的 相 分离 情况 是 复杂 的, 文章对 P3HTPCBM 体 系 活 性 层 进 行 了研究 。 借 助 紫外 可 见 色 谱 仪 、 光 学 显 微 镜 和 扫描 电 镜 等 设 备 , 我们 发现 在 金 属 阳 极 与有机 层 的 接 触 面 有大 量 PCBM 的 团簇 , 并 随着 退火 时 间 增 加 而 增 加 。 另 外 , 随着 PCBM 浓 度的 增 加, 碟 状的 晶 粒 会 取 代 针 状的 晶 粒 , 这 便 增 加 了 界 面 的 接 触 面 积 , 可 以 有效 提 高 短 路 电 流 密 度, 但 却 不 利 于 开 路 电 压 和 并 联 电 阻 的 提 升 。 从 各 条件 优化 综 合 来 看 , 活 性 层 中 PCBM的 含 量 在 40左右 是 最 好的 。关键词 有机 太 阳 能 电 池 ; 相 分离 ; 界 面中图分类号 TM914.4 文献标识码 A 文章编号 1007-8320 ( 2013) 11-0068-02Phase separation in organic solar cell researchSUN Nan-haiLuoyang Institute of Technology, Luoyang ,Henan 471000, ChinaAbstract The active layer of organic solar cells, a phase separation between a complex, articles on P3HT PCBM ac-tive layer system were studied. Chromatography with UV, optical microscopy and scanning electron microscopy and otherequipment, we found that the metal anode and the organic layer contact surface of the large number of PCBM clusters,and with the annealing time increases. In addition, with the increasing concentration of PCBM, dish-like crystal grains isreplaced by a needle, which will increase the contact area of the interface, can effectively improve the short circuit currentdensity, but is not conducive to the open circuit voltage and the shunt resistance improved. The optimal synthesis condi-tions from the point of view, the content of the active layer PCBM about 40 is the best.Keywords organic solar cells; phase separation; interface收稿日期 2013-09-10作者简介 孙 南 海 ( 1981- ) , 男, 讲 师, 主 要 研究 方 向 电 力 电 子 ,太 阳 能 电 池 。湖 南 农 机HUNAN AGRICULTURAL MACHINERY第 40 卷第 11 期 学术Vol.40 Nov.112013 年 11 月Nov.2013第 40 卷第 11 期2 结果图 1 显示了不同比例 PCBM 的活性层对可见光谱的吸收 。 这些活性层薄膜是通过匀胶的方式 ( 1500 转 / 秒, 1 分钟 )制备的,所有的薄膜基本上都保持在 140nm 左右的厚度 。 之前的报道均认为 PCBM 对太阳光的吸收程度都是一样的, 而不管活性层中 PCBM 的浓度到底是多少 。 在本研究中, 从图 1可以看到,不管 PCBM 的含量是多少,其吸收峰都稳定在330nm 。 随着溶液中 P3HT 的增加,吸收谱从 450nm 增加到620nm, 逐渐变宽且有红移, 这正是 P3HT 的吸收特性导致的 。P3HT 的含量从 30%到 70%时, 吸收峰分别为 468nm 、 488nm 、494nm 、 499nm 、 505nm,吸收峰向高能量移动说明了薄膜内部的缺陷增多, 使光的散射增加, 从而发生移动 。 另外, 从图上能清晰的看见吸收峰的肩部在 550 和 610nm 之间,这说明了P3HT 主链结合长度变长了, 并且主链的长度限制了支链的生长 。图 1 不同 P3HTPCBM 活性层对太阳能光谱的吸收P3HTPCBM 活性层的相分离情况和微结构见图 2,相分离照片是由高倍光学显微镜拍摄而成 。 从图 2 可以看出, 不两浓度的活性层溶液出现的针状 PCBM 晶粒密度是不一样的 。活性层中 PCBM 含量越高, 则结晶后的组织密度就越大, 相反则变小 。 在极高浓度 P3HT 的活性层薄膜中基本看不到 PCBM晶粒的出现 。 不管 PCBM 结晶密度的高与低,对单个晶粒而言, 它们的形状基本都是一样的, 不同之处在于, 密度高的晶粒尺寸小,密度低的晶粒尺寸大,这从图 2 中也可以清晰可见 。图 2 不同 PCBM 配比的活性层相分离情况图 3 为由不同 PCBM 配比的活性层而制备出的太阳能电池的特性曲线 。 从图上可以看出, 活性层中垂直的相分离对于电子给体向阳极移动和电子受体向阴极移动是有帮助的, 也就是说对太阳能电池效率的提升是有好处的 。 从图上看出, 拥有 70%PCBM 含量的电池表现出来的性能很差,如电流密度为 5.37mA/cm 2 、 影响因子为 0.563 、 开路电压为 0.46V,以及能量转换效率为 1.4% 。 这是因为大量过剩的 PCBM 不再均一的分布到 P3HT 的阵列中, 而是随机散落在薄膜的各个地方, 大大阻碍了电子空穴对向相应电极的移动,加快了电子空穴对的复合 。 相反, PCBM 含量太少的电池效率也不高, 这是因为P3HT 的阵列得不到 PCBM 晶粒的协助,形成的相分离面很少, 这样电子空穴对就没有充足的路径移动到相应的电极上,也就是说现在薄膜中的 P3HT 和 PCBM 匹配不足 。 所以, 对一个高效率的太阳能电池而言, 合适的配比是非常关键的 。图 3 由不同 PCBM 配比的活性层而制备出的太阳能电池的特性曲线3 结语文章中,我们对不同配比的 P3HT 和 PCBM 活性层的相分离情况进行了研究 。 不同比例的活性层对太阳光谱的吸收表现出不同的特性 。 PCBM 的晶粒大小及界面分布情况我们通过高倍光学显微镜进行了对比,发现不同浓度的活性层中PCBM 结晶程度及尺寸都是不一样的 。 我们发现盘状结构的PCBM 比针状结构的活性层对电池的效率而言是有好处的 。最终我们得到活性层中 PCBM 的最佳比例是 40% ̄50%, 以此得到的太阳能电池的效率为 3.5% 。参 考 文 献[1] 任 斌 ,赖 树 明 ,陈 卫 ,黄 河 .有机 太 阳 能 电 池 研究 进 展 [J].材料 导 报 ,2006, 9.[2] 沐 俊 应 ,徐 娟 ,粱氏 秋 水 ,朱 宏 伟 ,陈 振 兴 .有机 薄 膜 太 阳 能 电 池 的 研究进 展 [J].电 子 工艺 技术 , 2007, 2.[3] 钱 伯 章 .高效有机 太 阳 能 电 池 [J].橡塑 技术 与 装 备 , 2008, 4.[4] 张 智 ,赵 福 群 ,张 复 实 .全 固 态 有机 太 阳 能 电 池 [J].化学 通 报 , 2005,11.[5] 霍 延 平 ,曾 和 平 ,江 焕 峰 .富勒 烯 稠 合体 与 共 轭 聚 合 物 作为有机 太 阳能 电 池 材料 的 研究 进 展 [J].有机化学, 2004, 10.[6] 叶 子 .有机 太 阳 能 电 池 理 论 转 换 效 率 接 近 100[J]. 技术 与 市 场 ,2010, 10.[7] 董 长 征 ,王维 波 ,蓝闽 波 ,任 绳 武 ,肖绪 瑞 ,周 庆 复 ,许 慧 君 .有机 P- N 结太 阳 能 电 池 的 研究 [J].感光 科学与 光 化学, 1995, 3.[8] 于 夫 .超 薄 柔 性 太 阳 能 电 池 [J].技术 与 市 场 , 2009, 4.孙南海 有机太阳能电池中相分离研究 69

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