有机太阳能电池中相分离研究_孙南海.pdf-solarbe文库

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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（Ａｌ２Ｏ３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（Ｏ２＝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（ａｃｔｉｖｅｌａｙｅｒ）溶液。将Ｐ３ＨＴ（聚３－己基噻吩，Ｍｗ＝８７ｋｇｍｏｌ１）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－ｌｅｙＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓＩｎｃ．，ＵＳＡ），光源是Ｏｒｉｅｌ９１１９２（ＡＭ１．５，Ｇｌｏｂａｌ），电池有效面积是０．２ｃｍ２。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ＨＵＮＡＮＡＧＲＩＣＵＬＴＵＲＡＬＭＡＣＨＩＮＥＲＹ第４０卷第１１期 · 学术Ｖｏｌ．４０Ｎｏｖ．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／ｃｍ２、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