发布时间 : 星期一 文章新型共轭聚合物的设计合成及其光伏器件研究 - 图文更新完毕开始阅读
第二章 基于烷氧基萘的D-A型聚合物的合成及其光伏性质研究
子在垂直于聚合物膜表面方向的运动造成的，测定的载流子迁移率主要是纵向方向上的，与膜表面方向垂直。载流子迁移率对器件性能的影响将在下一节中进行讨论。
图2.5 有机场效应晶体管的特性曲线:(a) PNDTBT, (b) PNT2FTBT, (c) PN2FTBT, (d) SCLC
和导空穴器件器件的(d) J0.5~V 曲线
表2.2 聚合物有机太阳能电池的性能参数和聚合物的载流子迁移率
Voc Polymers PNDTBT PNT2FTBT PN2FTBT (V) 0.94 0.82 0.78 Jsc (mA/cm2) 10.76 9.62 4.88 FF (%) 61.84 64.25 52.03 PCEmax (%) 6.24 5.09 1.97 μhole (OFET) (cm2 V-1 s-1) 5.36×10-4 1.30×10-2 1.24×10-2 μhole (SCLC) (cm2 V-1 s-1) 1.81×10-4 7.01×10-5 4.03×10-5
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第二章 基于烷氧基萘的D-A型聚合物的合成及其光伏性质研究
2.3.4聚合物太阳能电池性能测试
实验中采用的有机太阳能电池器件结构为ITO/PEDOT:PSS/polymer: PC71BM/PIFB/Al。选择氯苯作为溶剂，以二苯醚(DPE)为添加剂。实验中通过选择不同的给体/受体比例控制膜的形貌，通过控制涂膜的时间和转速来改善膜的厚度和均匀性。经过优化，确认给体/受体质量比为1：1.5，旋涂速度为1000 rpm 时光伏器件具有最好的性能。表2.2列举了基于三种聚合物的光伏器件最佳条件下的性能参数。
图2.6 基于不同聚合物的本体异质结光伏器件最优化条件下的J-V曲线
图2.6 基于不同聚合物的光伏器件最优化条件下的EQE值(左)和光电流积分(右)
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第二章 基于烷氧基萘的D-A型聚合物的合成及其光伏性质研究
基于聚合物PNDTBT的光伏器件获得了最佳的性能，开路电压为0.94 V，短路电流密度为10.76 mA/cm2，填充因子为61.84%，器件的PCE达到6.24%，这是基于烷氧基萘系的D-A型聚合物的最高值。器件具有很高的外量子效率(EQE)，在350～560 nm的波长范围内，对应的EQE值超过70%，在波长360 nm处有最大值，为76.7%。利用EQE对太阳辐照强度的积分可以求得理论上获得的光电流密度，计算得到的短路电流密度为10.80 mA/cm2，与实验值非常接近，表明光伏测试系统具有很高的可信度。通过替换受体单元上的侧链取代基，用氟替换烷氧基，合成得到聚合物PNT2FTBT，在未加添加剂的情况下，基于聚合物PNT2FTBT的器件获得了最高3.15%的效率，向氯苯中加入2%的DPE后，器件的效率提升到5.09%，开路电压为0.82 V，短路电流密度为9.62 %， 填充因子为64.25%。通过减少主链上共轭噻吩的个数，合成得到聚合物PN2FTBT，未加DPE时，基于PN2FTBT 的器件效率为1.22%，加入DPE以后，效率提升到1.97%。作为对比，我们也在基于聚合物PNDTBT的光伏器件制备中使用过DPE作为添加剂，希望能获得更好的性能，但是让人失望的是，添加DPE以后，器件性能明显下降(表2.3)，此前的研究[25, 35, 89]也提到，DPE对含氟的聚合物聚合物光伏性能提升较为明显，本次实验结果证实了这一观点。
聚合物材料本身的光电性质仍然是决定器件性能的关键因素之一，载流子迁移率的测试结果表明，聚合物PNDTBT 在垂直方向上的空穴迁移率明显高于其他两种聚合物，空穴更容易穿过活性层和缓冲层被电极收集，使得器件获得更高的短路电流密度。此外，聚合物PNDTBT 与PC71BM 的LUMO能级之间具有足够的差值，足以保证激子被完全解离，这两个优势使得基于聚合物PNDTBT 的器件具有更佳的性能。
表2.3添加剂DPE对器件性能的影响
Polymers PNDTBT
DPE Without With
Voc (V) 0.94 0.84 0.83 0.82 0.80 0.78
Jsc (mA/cm2) 10.76 7.47 6.22 9.62 2.92 4.88
FF (%) 61.84 51.93 61.26 64.25 52.51 52.03
PCEmax (%) 6.24 3.27 3.15 5.09 1.22 1.97
PNT2FTBT without With
PN2FTBT without With
氯苯和DPE按照98：2(v/v)的比例进行混合
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第二章 基于烷氧基萘的D-A型聚合物的合成及其光伏性质研究
2.3.5活性层形貌和相分离
图2.6最优化条件下活性层表面形貌:a) PNDTBT:PC71BM，b) PNT2FTBT:PC71BM, c) PN2FTBT:PC71BM; 和活性层表面相分离：d) PNDTBT:PC71BM，e) PNT2FTBT:PC71BM, f)
PN2FTBT:PC71BM.
为了进一步研究活性层形貌与聚合物太阳能电池性能之间的关系，我们通过原子力显微镜(AFM) 对聚合物表面形貌和相分离尺寸进行表征。图2.6 展示了最优化条件下聚合物活性层表面形貌(图2.6a-c)和相分离(图2.6d-f);从表面形貌可以看出，三种聚合物和PC71BM的共混膜都具有比较均匀光滑的表面，基于聚合物PNDTBT、PNT2FTBT和PN2FTBT的活性层的表面粗糙度均方根(RMS)分别为2.37、0.89、0.97 nm，其中聚合物PNT2FTBT和PN2FTBT的活性层表明粗糙度明显小于聚合物PNDTBT，可能是由于DPE作为添加剂加入以后，提高了溶液极性，减少分子团聚，更有利于获得均匀分散的表面。光滑而均匀的表面更利于减少表面接触电阻，提高器件性能。图2.6d-f 展示了基于不同聚合物活性层表面的相分离情况，在活性层中，双连续的互穿网络结构有利于载流子的输运，相分离尺寸略小于激子扩散长度(10 nm)的两倍有利于激子的解离。观察表征结果，我们发现三种活性层表面都出现明显的相分离，而且相分离尺寸小于20 nm，有助于激子的解离和输运，其中聚合物PNDTBT的活性层表面可以明显观察到长程有序的互穿网络结构的给受体形态，这可能是基于
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