alkane類添加劑用于聚合物太陽能電池的研究

梁樂民

摘 要：文章研究對象為P3HT：PC61BM體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽能電池，通過在活性層溶液中摻入添加劑改善給體材料與受體材料之間的分離狀態(tài)，分析alkane類化合物在聚合物太陽能電池中的作用機理。

關(guān)鍵詞：聚合物太陽能電池；體異質(zhì)結(jié)；添加劑；alkane類化合物

中圖分類號：TM914 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）15-0165-02

進入21世紀(jì)，太陽能作為一種綠色環(huán)保能源已經(jīng)成為人們重點開發(fā)的新能源。近年來隨著對體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽能電池的不斷深入研究，其為太陽能電池的發(fā)展提供了新方向。本文以P3HT？誜PC61BM體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽能電池為基本器件結(jié)構(gòu)，通過對活性層溶液添加alkane類化合物作為添加劑來改善聚合物太陽能電池的性能。

1 聚合物太陽能電池的基本器件結(jié)構(gòu)

本文的聚合物太陽能電池的基本器件結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其中的活性層（Active Layer）采用P3HT？誜PC61BM體異質(zhì)結(jié)膜層。該基本器件的制作過程主要包括活性層溶液的配制，有機薄膜的旋涂，金屬Al陰極的蒸鍍等。

2 不同末端基團添加劑對聚合物太陽能電池性能的影響

本文選擇octanedithiol（ODT），dibromooctane（DBO）和diio-

dooctane（DIO）這三種化合物作為活性層溶液的添加劑，通過比較在主溶劑氯苯（CB）中分別摻入相同濃度的上述添加劑，從而分析不同末端原子基團與器件性能變化之間的關(guān)系。

上述三種添加劑的一些物理和化學(xué)特性，見表1。

實驗制備了4組活性層溶液：

P3HT：PC61BM：CB：X=15 mg：12 mg：1mL：60 μL

（其中X=none、ODT、DBO和DIO）；制備的光伏器件在氯苯中加入ODT、DBO和DIO后的相關(guān)參數(shù)，見表2，電池對應(yīng)的光電流J-V曲線，如圖2所示。

從表2可以清楚發(fā)現(xiàn)，光伏器件的開路電壓并沒有因為添加劑的存在與否以及種類而發(fā)生明顯的變化。通過分析上述實驗器件的開路電壓可以知道，這三種alkane類化合物并沒有與任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，器件中給體材料和受體材料的HOMO和LUMO能級沒有改變。

從表2可知，光伏電池的短路電流與添加劑的種類息息相關(guān)，這是由于電池中空穴或電子的傳遞效率是不同的。

當(dāng)活性層中加入60 μLODT，電池的短路電流明顯增大；而在加入等量的DBO或DIO的電池的短路電流并沒有達到最大值，這要歸因后退火處理引起活性層中P3HT和PC61BM的結(jié)晶過度，而降低載流子的傳遞效率。

若電池不進行后退火處理，其會得不到理想的性能要求；此外，主溶劑CB的沸點和添加劑的沸點之間的高低關(guān)系與后退火處理的溫度是密切聯(lián)系的。

一方面殘留的添加劑可依靠高溫退火去除，另一方面該退火步驟也提高了活性層中的有機物的結(jié)晶程度。P3HT的熔點和玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度分別為230 ℃和110 ℃，如果要將P3HT在活性層中的結(jié)構(gòu)排列發(fā)生變化，其退火溫度必須大于110 ℃。又由于氯苯中加入了沸點較高的添加劑，在活性層的成膜過程中，長鏈態(tài)的P3HT會由于氯苯與添加劑具有較大差別的揮發(fā)速度而促使其慢慢地發(fā)展為玻璃態(tài)。后續(xù)步驟中氯苯的逐漸揮發(fā)和退火過程，長鏈分子狀的P3HT會發(fā)生自組裝過程而結(jié)晶為排列有序的形態(tài)。

由于在揮發(fā)速度上ODT>DBO>DIO，故上述添加劑與氯苯以及P3HT？誜PC61BM的相互作用強度也依次遞增，最終造成P3HT？誜PC61BM體異質(zhì)結(jié)的相分離與結(jié)晶程度存在相應(yīng)的差別，制備出來的光伏電池性能也有所不同。

從上可知，P3HT？誜PC61BM體系在不同添加劑與CB分子作用下發(fā)生了相應(yīng)的團聚結(jié)晶。

在分子角度來看，氯苯與上述添加劑的不同揮發(fā)速度對P3HT？誜PC61BM產(chǎn)生不同程度的外部影響，這與不同添加劑的末端基團是相互聯(lián)系的。

上述外部影響大大提高了電子和空穴的傳遞狀況。

3 不同末端基團添加劑對活性層表面形貌的影響

從宏觀角度來說，活性層表面形貌會因添加劑而改變，其表面的起伏粗糙隨著添加劑的種類而變化，高沸點添加劑使P3HT和PC61BM之間相分離更加容易發(fā)生，P3HT分子鏈之間的相互作用使其通過自組裝為空穴和電子的傳遞通道，PC61BM也會結(jié)晶為有序分布的狀態(tài)。

添加劑的揮發(fā)過程增加了P3HT和PC61BM之間的相分離過程以及自身的結(jié)晶過程，這有利于不同給體和受體的進一步分離，以使得活性層出現(xiàn)連續(xù)二維網(wǎng)絡(luò)的分布結(jié)構(gòu)。

4 結(jié) 語

從上述實驗分析可知，不同沸點的添加劑對活性層中的P3HT和PC61BM之間的相分離具有不同程度的作用，這歸因于給體材料和受體材料之間的自組裝和結(jié)晶過程，最終的結(jié)果是導(dǎo)致活性層中形成了有利于電子和空穴傳遞的通道和網(wǎng)絡(luò)，從而使得電池表現(xiàn)出來的性能也不盡相同。

參考文獻：

[1] Almantas Pivrikas，Helmut Neugebauer，Niyazi Serdar Sariciftci，Influe-

nce of processing additives to nano-morphology and efficiency of bulk-heterojunction solar cells[J].A comparative review，Solar Energy，

2011，（85）.

[2] Vishal Shrotriya，Yan Yao，Gang Li，Yang Yang，Effect of self-organiza-

tion in polymer/fullerene bulk heterojunctions on solar cell perform-

ance[J].Appl.Phys.Lett.，2006，（89）.

[3] Jinsong Huang，Gang Li，Yang Yang，Influence of composition and heat-

treatment on the charge transport properties of poly（3-hexylthiophe-

ne） and[6，6]-phenyl C61-butyric acid methyl ester blends[J].Appl.Phys.Lett.，2005，（87）.

[4] Teddy Salim，Lydia Helena Wong，Solvent additives and their effects on blend morphologies of bulk heterojunctions[J].J.Mater.Chem.，2011，（21）.

[5] Haijun Fan，Huixia Shang，Yongfang Li，et al，Efficiency enhancement in small molecule bulk heterojunction organic solar cells via additive[J].Appl.Phys.Lett.，2010，（97）.

[6] Yeping Sun，Chaohua Cui，Haiqiao Wang，et al，Efficiency Enhancement of Polymer Solar Cells Based on Poly（3-hexylthiophene）/Indene-C70 Bisadduct via Methylthiophene Additive[J].Adv.Energy Mater.，2011，（1）.

[7] Bo Peng，Xia Guo，Yingping Zou，et al，Performance improvement of annealing-free P3HT：PCBM-based polymer solar cells via 3-methy-

lthiophene additive[J].J.Phys.D：Appl.Phys.，2011，（44）.