研究计划-固体PH1000的运用探索
背景介绍：
作为第三代太阳能电池中最有竞争力的成员，有机太阳能电池以其材料合成容易，原料来源广泛、制作工艺简单且成本低廉、耗能少、可制作柔性器件以及易于大规模生产等突出优势，赢得了科学家和各国能源部门的高度重视和浓厚兴趣，并注入了大量的研发资金。

尤其是基于溶液制膜法制备的有机薄膜太阳能电池，能够采用多种方便快捷的大规模生产技术进行批量生产，从而极大地降低成本
有机太阳能电池的工作机制基于光诱导效应，即在光照条件下，电子云受光子的激发而产生具有正负电性的激子。

当电子给体的最低空穴占有轨道（LUMO）能级比电子受体（LUMO）能级高出0.3 eV 时，电子便能在光能驱动下由给体LUMO 转移到受体LUMO。

激子在分子界面处有效的分裂为载流子。

在外电场作用下，电子和空穴分别向阴极和阳极迁移而形成光电压和光电流。

聚3,4一乙撑二氧曝吩[Poly(3,4一ethylenedioxythiophene),pEDOT]是一种新型的导电聚合物材料,为聚曝吩类衍生物,属电子导电型聚合物,于1900年首次被合成出来190】。

PEDoT结构较为特殊,其曝吩环3,4一位上引入的乙撑二氧基不仅可有效阻止单体二氧乙基曝吩(EDOT)聚合时曝吩环上Cα一Cβ。

的连接,从而使聚合物分子链更为规整有序,同时还增加了曝吩环上的电子密度,降低了单体的氧化电位和聚合物分子的氧化掺杂电位,使其导电的掺杂状态更稳定。

本征态的PEDOT导电性能很差,且不溶不熔,这在很大程度上限制了PEDOT的实
用化进程。

研究发现,经聚(对苯乙烯磺酸)根阴离子[poly(4一styrenesulfonate),pSS]掺杂的pEDOT,可以很好的分散在水溶液中,形成一种稳定的PEDOT:PSS悬浮液,目前市场上出售的PEDOT多以此种形态存在。

PEDOT:PSS薄膜在用浓硫酸处理后电导率急剧增加，处理后的薄膜可以用于有机太阳能电池。

市面上购买的PEDOT:PSS溶液添加4%EG和0.5%表面活性剂后具有良好电导率，再加上其具有较高功函数，可以用来作为有机太阳能电池的阴极材料。

通过PDMS转膜的方式将PEDOT:PSS薄膜转到器件上去，再通过银浆引出，进行JV曲线测量。

直接用浓硫酸处理PEDOT:PSS溶液后，发现产生黑色絮状物，将其洗净，在玻璃片上铺平展开，制成薄膜，发现其方块电阻很低。

这个黑色絮状物，我们猜测为PEDOT重含有少量PSS，所以其导电性能提高了很多，后面称这种物质为固体PH1000。

一个太阳能电池的性能好坏主要有开路电压（Voc），短路电流(Isc)，填充因子(FF)，入射光子对电子转换率(IPCE)，以及光电转换效率(η)所决定。

研究内容：
实验制备的光电池为体相异质结型有机太阳能电池,其光电转换层一般由二种材料共混而成:电子给体材料与电子受体材料。

二种材料的选择原则如下，首先,电子给体材料首先要有适当的HOMO与LUMO 能隙,以便使其吸收光谱与太阳光谱最大程度的匹配,第二,给体材料
的能级分布与受体材料的能级还需尽量相吻合,以便有良好的吸收光谱及优良的器件性能。

第三,二种材料还应具有较高的迁移率和良好的溶解性。

实验选取p3HT为电子给体材料,ICBA为电子受体材料。

其中,P3HT具有规则的结构,有合适的溶解度,带宽适宜且有高的空穴传输率,是目前最佳的电子给体材料之一。

ICBA是C60的衍生物,是通过在C60。

的球形链上接一长支链而得到。

由于长支链的存在,使得ICBA 的溶解性较C60有了很大的改善,同时还增加了P3HT与ICBA之间的互溶性,易于形成良好的互穿网络结构。

ICBA具有较大的电子亲和势和良好的溶解性,是一种性能相当优良的电子受体材料。

最常见的阳极材料是氧化铟锡导电玻璃（ITO），方块电阻为25 Ω 的ITO，最大透射率为85%。

透射率与掺杂浓度成正比关系，最高的透射率为90%。

ITO 使用前要刻蚀出相互分离的导电区域，以便引出电极进行测试。

还要对洁净的ITO 进行表面处理（O3），使表面的锡元素含量减少，氧元素含量增多，从而提高ITO 的功函数，进而增加注入空穴几率。

结晶过程中不可避免的存在着一定的缺陷,缺陷的存在影响了器件性能。

如果将基板在加热到一定的温度并经过适当时间的热处理,那么薄膜中所存在的缺陷以及损伤就可能有部分或者绝大部分得到消除,少子的寿命和迁移率也会得到恢复,这样的薄膜处理方式我们称之为热退火。

在有机器件中,表面形貌对于器件性能起着很大的作用,而器件的退火则在一定
程度上改变了器件薄膜的纳米尺度形态,因此退火对于有机器件来说
是非常重要的。

在有机器件中我们主要针对两个方式进行退火,一种是在进行真空热蒸发电极之前对有机薄膜退火,另一种是在真空热蒸发以后对器件进行退火。

P3HT材料由于其结构因素,它的侧链如果在首尾相对时,会具有更高的结晶性能,从而提高有序性,这样分子间的作用会提高,有利于载流子的输运。

同时因为聚合物还具有自组装能力,在材料自组装的过程之中,分子的结构单元会在主要基于非共价键力的作用下形成一个较为稳定和规则的结构。

退火处理的目的就在于此,它使材料侧链的排列方式更加有序,提高载流子迁移率以及相分布的改善。

退火有很多种方式,常见的包括了活性层直接退火、器件整体退火等,其中还包括了溶剂保护退火处理等多种方式P3HT材料的玻璃转化温度和溶点分别是110摄氏度和230摄氏度,如果想要使其
达到产生结构性改变的目的,那么我们需要控制退火温度高于其玻璃态温度,并持续一定的时间我们所使用的旋涂法,主要就是利用离心力来作为工作原理的,它会使聚合物侧链无规则排列。

在共混体系中,未经退火时P3HT不会呈现结晶化现象,如果经过较低温度的退火,聚合物的结构也不会呈现出明显的结构变化,器件的性能也不会有所明显的提高但是当随着温度升高时,聚合物逐渐呈现了玻璃化态,这时,聚合物受到力的作用,只有依靠改变主链上的键长键角才能去适应外力的影响,这就产生了形变,同时型变量与外力大小成正比,如果此时外力消除,因为P3HT拥有很强的自组装能力,在高弹态下P3HT的侧链会形成首位连接的状态。

退火后P3HT的侧链热运动能力明显加强,通过自组装作用达到了结晶化的目的,也达到收尾排列。

同时ICBM也会形
成突起,加大了D-A结分子接触面积。

这样就加大了载流子输运的可
能。

大面积太阳能电池的运用。

由于掺有EG和表面活性剂的PEDOT:PSS
溶液电阻还是很大，在作为电极时会影响串联电阻，且限制了有机太
阳能电池的面积。

固体PH1000的发现可以很好的解决电阻大的问题。

电池结构如下：
与活性层的接触，方便接受电子。

这种单层
太阳能电池用传统ITO作为阳极技术成熟，
操作简单。

最重要的是由于固体PH1000的
方块电阻极低，可用于大面积电池的制作。