10001785_简易机械手段调控透明导电聚合物薄膜的光电特性(赵永刚）

简易机械手段调控透明导电聚合物薄膜的光电特性 赵永刚 吕明智 苏浩 刘奇明 贺德衍 （兰州大学物理科学与技术学院，兰州，730000） 摘要：PEDOT:PSS 是一种广泛应用的透明导电聚合物，因其具有良好的的透过率和柔性，众 多科学研究者认为它很有可能发展成为有机太阳能电池等有机光电子器件理想的柔性透明电极 材料。然而，作为电极材料，必须具有高的电导率，没有经过处理的 PEDOT:PSS 的电导率较 低，还不能很好的满足电极材料的要求。本文的主要内容是在柔性 PET 衬底上面旋涂一层 PEDOT:PSS 薄膜，对该样品进行高压强机械处理，最后测试 PEDOT:PSS 薄膜的光电特性，发 现相比于机械处理前，PEDOT:PSS 薄膜的光电特性有较明显的提高。 关键词：PEDOT:PSS，透明导电薄膜，方块电阻，透过率，柔性光电器件 1. 研究背景与内容 聚（3,4-乙撑二氧噻吩）:聚（苯乙烯磺酸） （PEDOT:PSS）是一种新型的导电聚合物。其分 子结构如图 1 所示，噻吩环上结合了一个乙撑二氧基构成了 PEDOT 的基本结构，这种结构使 噻吩环上的电子云密度增加，有效的阻止了噻吩环上 Cα-Cβ 的连接，从而使其结构更加规整。 然而，本征态的 PEDOT 不溶不熔，可将一定比例的 PSS 掺入到 PEDOT 中，由于 PEDOT 带正 电荷，PSS 带负电荷，二者由于电荷的库仑相互吸引作用而结合在一起，形成稳定的悬浮液[1]。 将这种悬浮液涂在 PET 等柔性衬底上可以形成一层淡蓝色的透明导电薄膜，即 PEDOT:PSS 薄 膜。这种薄膜具有光学透过率高，柔性好，稳定性强，易于大面积加工等优点，在有机光电子 领域受到广泛的关注和研究。然而，本征的 PEDOT:PSS 薄膜的电导率较低，限制了其在有机 光电子领域的应用。Ouyang 等人用浓硫酸对 PEDOT:PSS 薄膜进行处理，使 PEDOT:PSS 薄膜 的电导率提高，但是这种方法所得到的 PEDOT:PSS 薄膜不宜作柔性有机光电子器件的电极， 因为浓硫酸具有强腐蚀性，会破环柔性衬底的平整性。所以如何简单高效的提高 PEDOT:PSS 薄 膜的电导率是科学研究的一个主要工作。 图 1 PEDOT:PSS 的分子结构图 本研究： 在柔性 PET 衬底上面旋涂一层 PEDOT:PSS 薄膜，然后分别进行不同强度的机械处理。 测试 PEDOT:PSS 薄膜经机械处理前后的的光电特性及拉曼谱图，探讨机械处理对 PEDOT:PSS 薄膜光电特性和微结构的影响。 2. 研究结果与讨论 2.1 PEDOT:PSS 薄膜拉曼谱图表征 不同机械强度处理下 PEDOT:PSS 薄膜的拉曼谱图如图 2 所示，我们发现对 PEDOT:PSS 薄 膜进行机械处理前后，其化学结构没有变化，所以机械处理只是改变了薄膜的厚度和致密均匀 性，并不会改变 PEDOT:PSS 薄膜的微结构[2]。 图 2 在 100cm-1-4000cm-1 范围内不同机械强度下 PEDOT:PSS 薄膜的拉曼谱图 2.2 PEDOT:PSS 薄膜的透过率表征 不同机械强度下 PEDOT:PSS 薄膜的近红外波段光学透过率如图 3 所示，从图中可以得到， 随着机械强度的增大，PEDOT:PSS 薄膜对波长为 600nm 以上的近红外光的透过率升高。 图 3 不同机械强度下 PEDOT:PSS 薄膜的透光率 2.3 PEDOT:PSS 薄膜的厚度和电导率表征 不同的机械强度下，PEDOT:PSS 薄膜的电导率和厚度如图 4 所示，电导率是测试过 30 个 样品之后计算的平均值，PEDOT:PSS 薄膜的厚度是用台阶仪测出样品上 5 个点的厚度之后计算 的平均值。从图 4 可以观察到，在 10Mpa、20Mpa 和 30Mpa 的机械强度下，相对于机械处理前， 电导率分别提高了 9.32%、17.33%和 35.93%。 图 4 PEDOT:PSS 薄膜在不同机械强度下的厚度和电导率的提高比率。 3. 结论 本文主要针对 PEDOT:PSS 薄膜在有机光电子领域的发展要求，提出简易机械处理大幅提高 薄膜光电特性的方法。首先将 PEDOT:PSS 前驱液旋涂在柔性衬底 PET 上，然后对其进行不同强度 机械处理，然后对处理前后的薄膜进行微结构和光电特性表征。得到 PEDOT:PSS 透明导电薄膜 在 10Mpa、20Mpa 和 30Mpa 的机械强度下，相对于机械处理前，分子结构没有变化，电导率分别 升高了 9.32%、17.33%和 35.93%，对波长为 600nm 以上的近红外光的透过率平均提高了 0.92%、1.16% 和 2.52%。 参考文献 [1] Gerhard H.Friedrich J.Poly(alkylenedioxythiophene)s-new,very stable conducting Polyme- rs[J].Advanced Materials,1992,4:116-118. [2] 汪斌华,邓永红,戈钧,周啸,王晓工,杨邦朝.不同溶剂中导电聚合物 PEDOT的化学氧化聚合及光谱研究[J]. 功能材料,2005,10(36):1610-1612. 作者简介 姓名：刘奇明 主要研究方向：有机无机杂化太阳电池，透明导电聚合物薄膜，叠层太阳电池 通讯地址：甘肃省兰州市天水南路 222 号，物理科学与技术学院 邮政编码：730000