如何控制组件的比例进行共混聚合物有机光伏设备通过退火

文摘

有各种导电聚合物混合,用作空穴传输层(HTL)在有机光伏设备(口服脊髓灰质炎疫苗)。这些导电聚合物混合的电气性能至关重要的是取决于它的表面成分和形态。在本文中,我们研究了聚(材料间是的运动)聚(styrenesulfonate)或PEDOT: PSS的作为一个例子HTL导电聚合物混合用于口服脊髓灰质炎疫苗。我们调查的影响退火PEDOT: PSS在不同大气如真空、N₂在不同的温度下,空气。发现共混聚合物的成分比例变化与退火温度和气氛。PSS / PEDOT比被发现有明确的对材料的电气性能的影响。在实践中,我们发现,退火可以使用的方法来控制组件比HTL进行共混聚合物在口服脊髓灰质炎疫苗的设备实现更好的电气性能。聚合物的组分比例变化与退火理解x射线光电子能谱(XPS)。在N退火₂气氛在220°C 1小时给最好的电气性能的聚合物和PSS / PEDOT比条件接近1.1,虽然最初的比率为2.5。优化HTL层通过简单的电导率测量以来,口服脊髓灰质炎疫苗并不能保证最佳的性能在退火表面性质的变化可能会影响沉积连续活跃的层之上,因此最终的设备。因此我们有优化退火条件HTL层根据口服脊髓灰质炎疫苗本身性能。

1。介绍

在过去的十年里,已经有了兴趣领域的有机光伏设备(口服脊髓灰质炎疫苗),因为他们的未来潜在的作为电力生产的廉价技术(1]。虽然这些设备有一定的局限性有关其稳定性(2,3),技术由于其降低成本的吸引力。这些设备的性能强烈依赖于形态和结构的构成有机材料(4,5]。最优先进行共混聚合物作为空穴传输层(HTL)口服脊髓灰质炎疫苗是保利(材料间是的运动)聚(styrenesulfonate)或PEDOT: PSS (6]。它的属性取决于其形态,反过来依赖于退火温度和气氛。PEDOT: PSS由ethylenedioxythiophene (EDOT)单体和聚(苯乙烯磺酸)(PSS)。PEDOT在其纯粹的形式是不溶于许多常见溶剂和不熔化的在正常的温度下(7,8]。PEDOT的不溶性问题通常的溶剂是聚合后的PEDOT的水溶性聚(苯乙烯磺酸)(PSS) [9- - - - - -11]。PEDOT: PSS,一般胶体溶液的过量PSS在PEDOT似乎形成一个封闭的表层,这也大大降低了PSS以来电导率略有绝缘和PEDOT导电(12,13]。PSS的PEDOT: PSS强烈吸湿,它可以改变它的形态取决于大气的退火(12]。提到的影响会影响最终的设备性能相当。有一定的退火研究PEDOT: PSS以前由许多研究人员调查了大气效应只在单一和组件依赖变化表现在不同大气不清楚(14- - - - - -16]。在本文中,我们研究了PEDOT: PSS通过口服脊髓灰质炎疫苗上。性能的口服脊髓灰质炎疫苗细胞包含PEDOT: PSS退火等不同大气压空气、氮气和真空进行了分析。这项研究是集中在发现组件之间的关系变化改变退火期间PEDOT: PSS与OSC设备的性能,从而找到最优条件PEDOT: PSS的口服脊髓灰质炎疫苗,实现最佳的设备性能。PEDOT的行为变化:PSS在不同退火条件下进行了进一步的分析和x射线光电子能谱(XPS)。这项研究的结果也同样有用的领域的导电聚合物,口服脊髓灰质炎疫苗,有机发光二极管(OLED)。

2。实验的细节

2.1。材料和设备制造

的玻璃基板的氧化铟锡(ITO)条纹由薄膜设备,Inc . (TFD)。广场上玻璃基板尺寸为6.25厘米²在中间部分覆盖宽1.3厘米ITO条纹。ITO厚度150海里,20欧姆/平方薄层电阻。基质是第一甲醇和丙酮其次是异丙醇清洗。然后他们被等离子洋洋自得ii - 862等离子治疗亚(60瓦,流量4 - 5 SCFM) 1分钟前PEDOT: PSS沉积。

在这部作品中,保利(材料间是的运动)聚(styrenesulfonate)研究PH500之下。这是由贺利氏。由旋转涂布沉积6700 RPM的旋转速度在正常房间的气氛。三个不同批次的基质随后干下各自的大气如空气,氮气和真空1小时温度从70°C到270°C每隔50°C。样本PH500干燥处理后,立即转移到手套箱和活跃层是自旋涂在上面。

活性层的混合聚3-hexylthiophene-2 5-diyl) (P3HT)由西格玛奥德里奇和phenyl-C提供_61年丁酸甲基酯(PC₆₀BM)是由纳米c,它是通过解决方案的混合比1:0.8 30毫克/毫升的浓度,溶解在1,2-dichlorobenzene。溶液搅拌在一夜之间55°C。活跃层混合自旋涂在手套箱在450转2分钟的不同批次的基质自旋涂PH500 [17]。在室温下干燥后的样品1小时充氮杂物箱,这部电影在150°C退火30分钟(18]。活性层的退火参数保持相同的三个不同批次PH500涂层基质。之后0.6纳米氟化锂层然后120纳米铝层沉积电极(19]。完成设备的有效面积15毫米²。

2.2。设备描述

光电特性进行评估在气团1.5下,类AAA太阳能模拟器(凸肚Inc .)作为光源,而光强校准100 mW /厘米²通过使用一个国家可再生能源实验室(NREL)校准参考晶体硅电池。测量充氮杂物箱里完成。参数,开路电压(),短路电流密度(),填充因子(FF),功率转换效率(PCE)获得相应的电流密度(J -)电压(V)曲线。测量,平均15太阳能电池的有效面积15毫米²每一个被为每个测量。组件PEDOT的变化和各洞PSS运输层在不同退火条件下分析了用x射线光电子能谱(XPS)。XPS实验系统进行热费希尔科学ESCALAB 250习。优点之一软件被用于分析数据和背景减法。单色Al Kαx射线(1486.68 eV)被用于激励和检测区域设置为900μ米直径。探测器模式是在恒定的能量分析器(CAE)。调查扫描通过能量150 eV的步长1 eV。化合物的化学状态识别和量化分析S 2 p的光电子转换。

3所示。结果与讨论

3.1。jv基于PH500口服脊髓灰质炎疫苗的设备的特点

为了找到合适的退火点PEDOT: PSS提供最佳性能,该层在一系列不同的退火温度和在不同的大气如图1。

故事情节在图1显示的平均变化等参数,、FF和PCE的PH500口服脊髓灰质炎疫苗的设备由于退火PH500层从70°C到270°C的三个不同的大气。

在图1(一)设备的情况下,PH500层在氮气氛退火,平均水平值5.3 mA /厘米²在70°C,它略微增加到5.61 mA /厘米²在170°C。这之后,有一个价值急剧增加到220°C达到7.43 mA /厘米²,这意味着更好的形态学PH500层在这一点上;这之后的价值大幅降低到5.89 mA /厘米²。在设备的情况下,在真空退火气氛,最初的值5.83 mA /厘米²,这是大于相应的值在氮气氛中;值增加到170°C到7.33 mA /厘米²,略低于氮气氛和除此之外的温度下降到270°C的值是6.34 mA /厘米²。设备在空气中退火,最初的在70°C接近设备在真空气氛和高于设备在氮气氛中;几乎是恒定值高达170°C, 6.06 mA /厘米²,但显示值后温度迅速降低。考虑所有这些观察氮气氛显示更好的值在220°C是其他大气中最高的。在图1 (b),平均FF显示近值在220°C真空和空气。

从情节在图1 (c),设备在空气中退火值几乎是常数从70°C到270°C的值低于氮退火样品但高于真空退火样品。在图1 (d),真空退火样品的电源转换效率高到170°C相比,空气和氮气退火退火样品。但当退火温度达到220°C时,样品退火在氮的平均PCE值最高价值大幅增长了2.67%,统计学上几乎是一样的设备在真空的气氛中,在相同的温度下。空气中退火样本获得的最好的PCE值在220°C低比其他大气,约2.17%。值也更接近其他团体(20.]。

从表1,它明显,最好的气氛退火PH500的N₂。

3.2。分析由于PH500退火行为变化

图2显示了PEDOT的变异和PSS内容与XPS技术PH500分析样品退火在最佳温度是220°C。

有硫原子PEDOT和PSS,但是他们的结合能山峰是不同的,因此PEDOT的各个组件的内容和PSS可以通过XPS分析很容易被认出来。据报道,硫原子峰值年代2 p PEDOT的结合能较低(21]。S 2 p的峰值为164.6 eV和163.4 eV对应PEDOT组件。的山峰169 eV和167.8 eV对应于PSS(硫成分21]。通过理解PEDOT的组件和PSS对相应的硫山峰,组件可以分析变异。

组成部分的变化PEDOT: PSS发生在热处理和它有关的结构PEDOT: PSS。PEDOT混合PSS在水中形成胶体溶液组成的随机线圈缠绕绝缘PSS亲水链的连接疏水导电PEDOT寡聚物。PSS壳膨胀与导电含水率也形成贝壳PEDOT谷物(22),当在最适温度退火,PSS壳收缩和暴露更多的导电PEDOT谷物和也可以宽松的多余的PSS的内容。实际上它增加PEDOT内容的密度在表面,因此反映在组件比XPS测量。

PEDOT和PSS组件随退火和热暴露改变组成组件的数量。PEDOT内容更导电的影响在相关设备的电流密度在各自的大气温度和退火。不导电的PSS降低电导率和设备的效率。分析的内容从每个各自的峰值浓度,发现PEDOT内容更导电高氮PH500退火。很明显从图2PEDOT含量较高和PSS内容减少退火在这两种情况下的N₂相比空气和真空。设备获得真空的PCE值更接近的性能在N₂。这是清楚地表明,缺乏水分扮演重要的角色在提高设备性能。氮流也有效消除困含水率。

据报道,PSS形式结构的绝缘外壳PEDOT PEDOT: PSS和退火温度较高会导致组件的萎缩,发展含水量,可为什么PSS和PEDOT不同的组件热接触(23- - - - - -26]。

退火到220°C可以减少水分,导致周围的绝缘PSS壳的收缩进行PEDOT谷物和因此不同成分含量有利的比率,从而提高性能。在温度大于220°C, PH500的性能大幅下降,这可能是由于更大的组件PEDOT的比例和PSS的变化可能会改变表面性质和润湿特性进而可能影响了沉积在活性层之上的,因此该设备的性能(27]。结构PEDOT: PSS的PSS围绕着PEDOT谷物作为绝缘外壳,当含水率降低,PSS收缩和暴露表面的导电PEDOT [22]。这导致表面导电PEDOT密度的增加,从而导致增加层的电导率,从而反映出OSC设备性能。

性能的主要原因是不同大气条件变化是基于物质的沸点(BP)是不同的在不同的大气。在正常的空气氛围,PEDOT: PSS BP接近水(28]。这样的进化速度含水量以及组件的变化比例PEDOT: PSS在N层是不同的₂以及真空气氛与空气相比。这可能会导致重大改变的形态学PEDOT: PSS层和方式。PEDOT混合PSS在水中形成胶体溶液组成的随机线圈缠绕的亲水绝缘PSS与连接疏水导电PEDOT寡聚物链,形成导电颗粒。这些谷物由PEDOT丰富核心包围PSS丰富的外壳。真空和氮气都提供惰性气氛避免水分的机会可能肿胀。氮气氛似乎更有效地减少PSS的内容比真空。N的流₂气体而PEDOT: PSS涂层样品退火在手套箱可能会删除的困内水分层导电聚合物。这导致聚合物链靠近缩减由于含水率的演变,从而减少阻力导致性能优越。增强性能的因素N₂气氛可能由于不同BP,惰性气氛,提高结晶度,N的角色₂在去除困含水量。氮气氛的影响也可能是影响静电作用与PSS链。也可能有润湿性变化的材料由于PEDOT和PSS内容的差异,因为PSS非常亲水,减少PSS部分提高了后续活动层的润湿性是极性的。润湿性的增加也提高了设备的性能。

平行变化等属性也可能发生层粗糙度的变化,均匀性、润湿性、吸光度和结晶度。这些属性也会影响最终的设备的性能。但是我们的研究集中在发现组件之间的相关性比PEDOT: PSS与口服脊髓灰质炎疫苗的性能在不同气氛中退火。

从图3,很明显,PSS / PEDOT比率之间存在强烈的行为依赖与PCE和最适温度测量值。PSS / PEDOT比率应该低,接近1.1,为了获得最佳的性能。最初的PSS / PEDOT组件比PH500贺利氏Clevios指定的供应商是2.5。

从图可以看出3组件在不同比率不同气氛退火220°C。在空气气氛,PSS / PEDOT比率从其初始值减少了26.16%。在真空气氛,减少了46%。在N₂大气、PSS / PEDOT比率下降了54.8%。这是一个有趣的观察,因为PSS / PEDOT比率变化不同虽然在同一温度和退火时间。因此发现显然给了大气中有重大影响的信息PEDOT的电气性能:PSS在退火和它与PSS / PEDOT比率有很强的相关性。PEDOT: PSS,可以同时负责不同的干燥动力学的变化方向的PEDOT谷物在电影从而导致电导率和表面性质的变化(12,29日,30.),这也会导致电导特性的差异在不同的大气。组件PEDOT的变化和PSS对聚合物薄膜的电气行为有重大影响,证实了我们的XPS研究。

4所示。结论

总之我们已经评估的影响PEDOT: PSS性能响应在不同大气温度和退火也发现最优条件。用XPS技术行为的变化进行了分析。虽然空气是一个容易可加工的和成本有效的退火气氛PEDOT: PSS,发现是减少层的电特性,因此基于他们口服脊髓灰质炎疫苗的设备的性能。真空氛围将有助于明显的电气性能的聚合物在退火条件但不轻松地完成商业观点。在N退火₂气氛在220°C会改变为1小时PSS / PEDOT比率为1.13,表现出优越的电气性能。而且从这个研究结果使研究人员设计的空间共混聚合物优惠率达到良好的性能在任何真空,空气,和N₂。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者感谢Autosys项目没有。1082/31/2011和Painettavaa Palautus泰克项目没有。1116/31/2013部分资助的研究。

引用

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