摻雜pedod-pss對太陽能電池性能的影響

摻雜pedod-pss對太陽能電池性能的影響

1.引言由于其重量輕、成本低、易加工等優(yōu)點，有機能電池受到了廣泛的關(guān)注。目前，有機電池的電氣轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達到5.6%。在聚合物光伏器件中,器件結(jié)構(gòu)ITO/PEDOT∶PSS/P3HT∶PCBM/LiF/Al研究最廣,如圖1所示.其中PEDOT∶PSS是由聚(3,4-二氧乙基噻吩)PEDOT和PSS(聚苯乙烯磺酸)兩種物質(zhì)構(gòu)成,分子結(jié)構(gòu)式見圖1.單純的PEDOT高分子是難溶的,要通過加入水溶性的PSS作為電荷平衡摻雜劑來形成懸浮液,該懸浮液能形成透明的導電膜.在有機光伏器件中,為了提高空穴的注入,要求陽極具有較高的功函數(shù).因此具有高功函數(shù)(~5.2eV)的PEDOT∶PSS常作為緩沖層用于聚合物太陽能電池中來修飾陽極ITO(~4.7eV).另外,PEDOT∶PSS在電極和活性層之間作為空穴傳輸層還有利于空穴載流子的傳輸.但是,PEDOT∶PSS緩沖層的引入不可避免地增加器件整體的串聯(lián)電阻,從而影響短路電流密度J2.實驗過程2.1.摻雜peatpss懸浮液及摻雜薄膜的制備載玻片經(jīng)洗滌劑清洗后在超凈間經(jīng)酒精、丙酮、異丙醇各超聲10min后,放于80℃的烘烤箱中烘干備用.PEDOT∶PSS購于Bayer,向其中分別摻入質(zhì)量百分比為5wt%,10wt%,15wt%,20wt%,25wt%的DMSO(購于天津試劑六廠)溶劑.DMSO使用前未經(jīng)任何處理,其化學分子結(jié)構(gòu)如圖1所示.將超聲攪拌均勻的摻雜PEDOT∶PSS懸浮液,旋涂在清洗好的載玻片上,厚度約40nm,最后在旋涂好的PEDOT∶PSS薄膜上采用掩模板蒸鍍100nm厚的Al電極完成測試樣品制備.2.2.表面形貌與結(jié)構(gòu)聚合物太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)為ITO/PEDOT∶PSS/P3HT∶PCBM/LiF/Al.活性層是由聚噻吩(P3HT)和富勒烯衍生物(PCBM)共混組成,按照質(zhì)量比1∶0.8混合,溶于氯苯,常溫下攪拌12h.ITO玻璃購于深圳南玻,清洗過程與清洗載玻片過程相同.將摻雜后的PEDOT∶PSS旋涂在干凈的ITO玻璃上,經(jīng)150℃退火30min,再將其放到充滿氮氣的手套箱中,旋涂一層100nm厚的P3HT:PCBM活性層,最后在真空度為4×10材料的暗電導率σ的測試采用共面型電極結(jié)構(gòu),外加3V直流偏壓,通過Keithley617靜電計測試回路中的電流計算得到.材料的表面形貌由原子力顯微鏡(AFM)測得,AFM型號為SPA-400掃描探針顯微鏡.電池的J-V曲線是在模擬太陽光強為100mW/cm3.摻雜peatpss薄膜活性層圖2是向PEDOT∶PSS摻入不同濃度DMSO后薄膜電導率的變化.從圖中可以看到,摻雜不同濃度的DMSO,PEDOT∶PSS薄膜的電導率明顯提高,隨著摻雜DMSO的質(zhì)量百分比從0wt%(未摻雜)到25wt%,薄膜的電導率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢.當摻雜DMSO濃度達到10wt%時,薄膜電導率達到最大為1.25S/cm,比未摻雜時電導率提高了3個數(shù)量級.圖3是我們針對摻雜不同濃度DMSO的4個薄膜樣品進行了AFM測試.由圖可以看到,與未摻雜的相比(圖3(a)),摻雜DMSO薄膜(圖3(b),(c),(d))的表面形貌發(fā)生了很大變化.隨著摻雜濃度的增加薄膜表面顆粒發(fā)生團聚,同時表面粗糙度均方根(RMS)值隨著摻雜DMSO濃度的增加呈先增大后減小再增大的趨勢,如圖4所示.當DMSO這種高沸點極性溶劑摻雜到水溶性的PEDOT∶PSS后,由于退火時水分作為主要的溶劑首先被蒸發(fā)掉,PEDOT∶PSS的膠體顆粒最終獨自分布在高沸點極性溶劑中.隨著退火時間的增加,高沸點的DMSO溶劑逐漸揮發(fā),PEDOT∶PSS的膠體顆粒發(fā)生團聚,表面粗糙度增加.膠體顆粒的團聚降低了PEDOT/PSS之間的庫侖力作用,電荷傳輸在相鄰PEDOT/PSS兩相區(qū)不會形成大的勢壘,從而提高了薄膜的電導率我們分別選取4種摻雜不同濃度DMSO的PEDOT∶PSS作為陽極緩沖層應用于聚合物太陽能電池中,圖5給出了摻雜四種不同濃度DMSO的光態(tài)J-V曲線.從圖5的J-V特性曲線觀察,高電導率的PEDOT∶PSS薄膜做緩沖層的器件,其J從表1中看出高沸點極性溶劑DMSO的加入,薄膜電導率呈先增大后減小的趨勢,同時器件的R從圖6可知,每個太陽能電池的暗態(tài)曲線可分為3個部分圖7為摻雜不同DMSO濃度的PEDOT∶PSS薄膜上活性層表面形貌的AFM圖.圖7(a)是未摻雜PEDOT∶PSS薄膜上的活性層,從AFM圖中可以看出其表面比較平滑,薄膜的RMS為7.278nm,從圖6的暗態(tài)電流中看出沒有過大的漏電流產(chǎn)生.圖7(b),(c),(d)分別為摻雜DMSO濃度為5wt%,10wt%,15wt%的PEDOT∶PSS薄膜上的活性層,其RMS分別為12.99nm,11.01nm,15.45nm.與未摻雜PEDOT∶PSS薄膜襯底的活性層相比,活性層薄膜的RMS均有所提高.活性層的表面形貌也是影響聚合物太陽能電池性能的重要因素所以當PEDOT∶PSS摻雜DMSO濃度適當時,活性層能夠形成良好的互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),在提高緩沖層薄膜電導率的同時減小器件的串聯(lián)電阻,從而改善器件的性能.我們的實驗結(jié)果給出:當摻雜DMSO濃度為10wt%的PEDOT∶PSS作為陽極緩沖層時,器件的R4.摻雜peatpss薄膜本文研究了摻雜不同濃度DMSO對PEDOT∶PSS薄膜電導率的影響,發(fā)現(xiàn)摻雜PEDOT∶PSS薄膜的形貌有很大的變化,從而影響PEDOT∶PSS薄膜的電導率.當摻雜DMSO濃度為10wt%時,PEDOT∶PSS薄膜的表面