PEDOT:PSS的后处理及其在有机太阳电池中的应用研究

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现如今,随着高导电性和高光学透明度材料的不断研发,各种光电器件受到了广泛关注,特别是有机太阳能电池(OSC),有着低廉的制造成本,简单的工艺,可弯曲和卷对卷批量生产等特点,在绿色能源产品领域具有巨大的前景。但是,目前常用的电极材料是氧化铟锡(ITO)薄膜质地脆且易碎,不适合应用在柔性器件上,同时还存在着较高的成本和对有机物较差的密合性等缺点。为了解决这些问题,人们研究了很多其他透明导电电极材料,包括碳纳米管,石墨烯,金属纳米线以及导电聚合物来替代ITO。其中,聚(3,4-乙撑二氧噻吩)∶聚苯乙烯磺酸盐[poly(3,4-ethylenedioxythiophene)∶poly(styrene sulfonate),PEDOT∶PSS]获得了广泛关注,并被认为是最有前途的透明电极材料之一。然而,原始的PEDOT∶ PSS膜层的电导率低于1 S/cm,远远低于ITO电极的电导率。为了提高PEDOT∶PSS膜层的导电性,许多学者做了大量研究,使用有机溶剂掺杂,盐溶液、酸溶液和表面活性剂等对PEDOT∶ PSS膜层进行预处理或后处理,可以提高PEDOT∶PSS膜层的导电率2-3个数量级。这些处理的原理是改变PEDOT∶PSS的形态和构型,达到PEDOT和PSS相分离。本文具体研究内容如下:  (1)本文采用乙酸溶液,对PEDOT∶PSS膜层进行清洗处理,并研究乙酸在不同湿度情况下,清洗后对PEDOT∶PSS膜层的导电性的影响及其本质,同时研究了以PEDOT∶PSS作为透明电极的有机太阳能电池的器件性能。实验结果表明,在环境湿度为60%的时候,使用高浓度乙酸溶液对已退火的PEDOT∶PSS膜层清洗处理后,PEDOT∶PSS膜层的电导率得到极大提高,从未处理的约为0.33 S/cm,提高到约为1120 S/cm。目前,已得到的PEDOT∶PSS膜层最高电导率处理,是使用浓硫酸,或者甲磺酸这类强酸,但是使用这类处理,不仅危险而且对环境不利,同时不适用于类似PET等柔性衬底器件。此外,我们首次探究了环境湿度,这一影响因素对于PEDOT∶PSS膜层电导率提升的影响。通过原子力显微镜(AFM)、紫外-可见吸收光谱、X射线光电子能谱(XPS)、循环伏安法(CV)等测试手段来分析和探究PEDOT∶ PSS膜层电导率提升的原因。结果表明,使用乙酸溶液在一定湿度下清洗PEDOT∶PSS膜层后,其中过剩的PSS链被移除,在之后的退火过程中,PEDOT聚合物发生聚集重构,使得表面粗糙度增加,有利于电荷的传输,最终达到提高导电性的目的。  (2)我们制备了以乙酸处理后的PEDOT∶PSS膜层作为电极的正置和倒置有机太阳能电池器件,分别与对应的ITO器件做对比。由实验结果可以看出,使用PEDOT∶PSS制作的器件,无论是正置结构还是倒置结构,都显示出与ITO器件相当的性能,两者的开路电压相同,而短路电流和填充因子明显ITO的器件要更好一些,这主要是因为PEDOT∶PSS电极本身的导电性较差,使得器件的串联电阻较大,但是相信随着科技的发展,PEDOT∶PSS必将成为替代ITO的新型导电电极材料。  (3)我们采用新型添加剂,聚乙二醇辛基苯基醚(Triton X-100)来改善PEDOT∶PSS溶液与有机活性层之间的浸润性,制备了基于PEDOT∶ PSS为阳极修饰层的倒置太阳能电池器件。通过调节掺入浓度以及阳极金属材料的选择,分别使用了Au、Ag以及Cu,改善倒置器件的性能,实现倒置器件性能的提升。
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