聚合物太阳能电池相行为的电特性扫描探针显微技术研究

论文摘要

聚合物太阳能电池（polymer solar cell, PSC）因其低价、柔性、可大面积制备等特点成为目前能源领域研究的热点之一。目前的研究主要集中在对于电子给体、电子受体材料的设计合成、活化层成膜条件方面，对于在体相异质结界面处电荷分离以及电池失效的微观机制方面的研究却很缺乏。本课题将以聚合物体相异质结（BHJ, bulk heterojunction）聚合物太阳能电池为模型，以聚3-己基噻吩：[6,6]-苯基C61丁酸甲酯（P3HT:PCBM）活化层薄膜体系为研究对象，利用静电力显微技术（Electric force microscopy，EFM）研究其相分离结构、电荷分离特性等与器件效率之间的关联，并对其热失效机制进行了初步的探索。主要研究结果如下：一、不同P3HT:PCBM比例对聚合物太阳能器件效率的影响。制备了P3HT:PCBM质量比为3:1、2:1、1:1、1:2、1:3的器件，并对所有器件进行了相同的110℃热退火10min的处理。测试发现P3HT:PCBM质量比为1:1时所得器件效率最高，达到了4%，随P3HT:PCBM比例从3:1变到1:3，薄膜表面粗糙度从15.6nm降低到1.48nm，利用EFM对其相分离特性及表面电势进行表征，发现随着P3HT:PCBM质量比例的逐渐降低，相分离的尺度逐渐减小，当P3HT:PCBM为3:1，2:1时，体系发生了较大尺度的相分离，在1:1时相分离尺度较小，而在1:2及1:3时，几乎观察不到相分离；P3HT:PCBM为1:1所制得的薄膜形成的微观互穿网络结构较好，有利于电荷的分离及传输，因而得到了最高的器件效率，观察了P3HT:PCBM薄膜在暗场及光照条件下表面电势的变化情况，发现比例在3:1，2:1及1:1时，表面电势降低，说明在表面有负电荷的聚集，而在比例1:2及1:3时，表面电势几乎没有变化。二、研究了不同热处理温度及时间对器件效率的影响，分别测得了70℃、110℃、150℃、190℃热退火10min、30min、60min、90min后所得的器件效率，在70℃热退火90min以及150℃热退火30min的条件下器件效率分别达到了4.4%及4.6%，随着热处理温度由70℃升高到190℃，薄膜表面粗糙度越来越大，而器件效率则呈现先上升后下降的过程，随着热处理时间的增长，表面粗糙度同样显示出增大的趋势，器件效率先是增加，到达30min以后，逐渐降低，利用紫外可见吸收光谱发现，与未经热处理的活化层薄膜相比，吸收峰发生了明显的红移。利用EFM相位图像可以清楚地观察到相分离的情况,未经热处理时，P3HT无规排布，没有形成较好的网络结构，当经过150℃热处理过程后，使得PCBM以纳米晶粒的形式较为均匀的分散于P3HT晶体周围，二者形成良好的互穿网络结构，为载流子的高效传输提供了路径，因此器件效率有了很大的提高。对三种热处理条件下获得的P3HT:PCBM体系异质结薄膜的形貌及光照前后的表面电势进行了比较。在未热处理时，表面形貌粗糙度较小，薄膜很平整，表面电势均一分布，经过150℃热处理30min后，从形貌上可以看出形成更好的规则结构，有大量尺寸较小的Cluster形成，有利于电荷分离，而当热处理温度为190℃时，形貌像及表面电势图像显示表面粗糙度大大增加，出现了较多的大聚集体，导致两者有效界面的减少，降低了电荷的分离效率，最终导致器件效率的降低。三、在变温条件下对聚合物太阳能电池的热失效机制进行了探索。选取70℃热处理90min及150℃热处理30min两个最高能量转换效率的热处理条件，分别得到了其在室温及70℃下的失效曲线，发现150℃热处理30min条件制得的器件稳定性要高于70℃热处理90min所得的器件，对其活化层形貌的变化进行了表征，发现150℃热处理30min所得活化层薄膜具有更好的骨架结构而70℃热处理90min所得活化层薄膜虽然也形成了较好的互穿网络结构，得到较高的效率，但其结构稳定性较差，在较高温度下容易被破坏，从而降低其能量转换效率。获得了国际有机光伏稳定性峰会（ISOS）推荐的标准热失效方案下的25℃，85℃以及25℃85℃热循环条件下的器件失效特性，比较了150热处理30min获得的P3HT:PCBM薄膜与经85℃恒温2h后的形貌像，发现在相分离的尺度基本不变，而表面的小突起表现出聚集的特性。这些结果为研究聚合物太阳能电池的热失效机制的研究提供了思路。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 聚合物太阳能电池的基本原理
• 1.1.2 常用表征技术
• 1.2 聚合物太阳能电池的电特性扫描探针显微技术研究
• 1.2.1 静电力显微技术
• 1.2.2 导电原子力显微技术
• 1.2.3 开尔文探针显微技术
• 1.3 小结
• 第二章 P3HT:PCBM 比例对聚合物太阳能电池器件影响的 EFM 研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验材料和仪器
• 2.2.2 实验步骤
• 2.3 实验结果与讨论
• 2.3.1 聚合物太阳能电池器件效率随 P3HT:PCBM 比例变化规律的表征
• 2.3.2 聚合物太阳能电池活化层形貌随 P3HT:PCBM 比例变化的表征
• 2.3.3 聚合物太阳能电池活化层的 EFM 表征
• 2.4 小结
• 第三章 聚合物太阳能电池器件热处理条件对器件效率影响的 EFM 研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验材料和仪器
• 3.2.2 实验步骤
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 聚合物太阳能电池器件效率随热处理条件变化规律的表征
• 3.3.2 聚合物太阳能电池活化层形貌随热处理条件的变化的表征
• 3.3.3 聚合物太阳能电池活化层的光谱表征
• 3.3.4 聚合物太阳能电池活化层的 EFM 表征
• 3.4 小结
• 第四章 聚合物太阳能电池热失效过程的探索
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验材料和仪器
• 4.2.2 实验步骤
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 聚合物太阳能电池器件效率的测试
• 4.3.2 对不同热处理条件所得器件稳定性比较的测试
• 4.3.3 150℃热处理 30 min 所得器件的稳定性测试
• 4.3.4 对失效过程中形貌及变化的 AFM 及 EFM 表征
• 4.3.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的文章、专利及参与基金项目