文摘

一个穿制服的聚(3-hexylthiophene) (P3HT)和(6,6)-phenyl-C61年丁酸甲酯(PCBM)混合电影准备通过使用旋转涂布过程是通过添加10%羟基end-functionalized P3HT (HOC-P3HT-COH)作为增容剂。P3HT的比例/ PCBM spin-coated电影已经从1:改善边缘1.22和1:0.85英寸衬底的中心(底物大小、2厘米×3厘米),1:1.03边缘,1:0.94 P3HT中心/ HOC-P3HT-COH / PCBM电影(1:0.1:1)。均匀和可再生的聚合物太阳能电池3.71%的平均功率转换效率AM1.5G照射下用10% HOC-P3HT-COH P3HT / PCBM层制作的。

1。介绍

电源转换效率(η)的有机太阳能电池增加了0.04%的双分子层设备(1)超过8%的散装异质结(BHJ)设备(2]。一个重大突破是引入BHJ形态(3]。BHJ形态创造了大型电子给体和电子受体之间的界面面积,极大地提高了激子分离的效率,并生成更高的电流密度( )BHJ设备。显然,活性层的形态起着非常重要的作用在聚合物太阳能电池的性能优化4]。在电子给体和电子受体,P3HT PCBM被广泛用作模型材料在聚合物太阳能电池的活性层。研究人员(5- - - - - -12]发现基于P3HT / PCBM聚合物太阳能电池的性能高度依赖P3HT / PCBM的比率。域的PCBM大小显著增加,热处理后的内容PCBM增加P3HT / PCBM电影。这将导致减少界面面积P3HT和PCBM之间最终会较低 。此外,空穴迁移率和电子迁移率也随P3HT / PCBM比率。平衡孔和电子迁移率P3HT / PCBM混合发生之间的P3HT / PCBM比率是1:0.8和1:1 (6,7]。晶体结构P3HT / PCBM电影以散射技术(8- - - - - -10)也显示了一个高依赖P3HT / PCBM比率。一般高性能太阳能电池是用P3HT制作/ PCBM比率之间1:0.8和1:1 (11,12]。

基于上述信息,一个穿制服的分布P3HT / PCBM是至关重要的,如果一个可再生的大面积光伏模块将被处理。谈到我们的注意检查P3HT / PCBM比率的分布在玻璃衬底(2厘米×3厘米)通过使用旋转涂布过程中,这是最常用的技术实验室。在这项研究中,P3HT / PCBM比率在2厘米×3厘米的玻璃基质是由使用紫外可见光谱技术。P3HT的影响/ PCBM比退火P3HT / PCBM电影的特点是光学显微镜(OM)。一个合成羟基end-functionalized P3HT (HOC-P3HT-COH)添加到P3HT / PCBM电影来控制整个玻璃衬底P3HT / PCBM比率。

2。材料和方法

2.1。材料

P3HT ( = 25000)和PCBM从奥尔德里奇公司购买和使用前未经纯化。HOC-P3HT-COH报道后合成法(13]。HOC-P3HT-COH合成一个 28700年,多分散性指数(PDI)为1.89。核磁共振分析(14)显示的regioregularity HOC-P3HT-COH是购买P3HT的95%,为93%。

2.2。样品制备

1% P3HT / PCBM(1: 1)和1% P3HT / HOC-P3HT-COH PCBM(1: 0.1: 1)在邻二氯苯(ODCB,光谱学年级,从奥尔德里奇)购买spin-coated在2厘米×3厘米的玻璃基板(500转3秒和1000 rpm 10秒)。spin-coated电影在150°C退火30分钟的紫外可见光谱和OM测量。

2.3。设备制造

ITO衬底(薄层电阻= 12 在超声波清洗机器通过治疗后O2等离子体。30 nm PEDOT: PSS (HC斯塔克Baytron PH值)层涂布在ITO衬底和干在140°C N下10分钟2的气氛。100海里P3HT / PCBM(1: 1)或P3HT / HOC-P3HT-COH PCBM电影(1:0.1:1)spin-coated和退火150°C 10分钟。Ca (10 nm) / Al(100海里)电影热蒸发为阴极为1.0 10−6托。

2.4。描述

P3HT的分子量和HOC-P3HT-COH是衡量Viscotek DM400 / LR40凝胶渗透色谱法(GPC)使用标准的聚苯乙烯作为参考。Regioregularity由力量决定av - 300核磁共振。紫外可见吸收测量进行了日本岛津公司uv - 2101 c谱仪。P3HT的形态/ PCBM和P3HT / PCBM HOC-P3HT-COH电影研究使用一个奥林巴斯光学显微镜(OM模型:BH2)。我- - - - - -V制造设备的参数来衡量一个凸肚类太阳能模拟器91160 AM1.5G照射下(100 mW /厘米2太阳能电池由NREL)校准认证参考。

3所示。结果与讨论

旋转涂布过程(15)是一种广泛使用的技术在聚合物太阳能电池的研究实验室。等混合光敏层P3HT / PCBM spin-coated PEDOT: PSS预镀ITO衬底。这部电影受到不同的过程,如热退火16- - - - - -18和溶剂退火19)在沉积的阴极材料。聚合物太阳能电池已经准备好测试后这些过程。许多因素如P3HT / PCBM[组成6,7,11,12),退火条件(16- - - - - -18),和溶剂的选择20.影响聚合物太阳能电池的最终性能。P3HT的组成/ PCBM活性层的关键因素之一是高度相关的设备的性能。结果表明,基于性能的优化P3HT / PCBM聚合物太阳能电池P3HT / PCBM比率1:0.8和1:1.0 (6,7,11,12),这个范围外的性能显著恶化。它变得非常重要如果一个一致的P3HT / PCBM比基质可以实现大尺寸的聚合物太阳能电池。检查这个问题,P3HT / PCBM(1: 1)解决方案二氯苯spin-coated在2厘米×3厘米底物进行评估。这种基质分为五个地区对称(图1)。厚度区域1、2和3 120 nm、109 nm和95 nm,分别为P3HT / PCBM电影。厚度区域1、2和3的P3HT PCBM / 10% HOC-P3HT-COH电影111海里,113 nm和112 nm,分别。成分P3HT / PCBM之间的中心和边缘特征。


图1
插图的样品制备和鉴定spin-coated P3HT / PCBM(1: 1)和P3HT / HOC-P3HT-COH / PCBM(1: 0.1: 1)电影从1%二氯苯的解决方案。

在文献报道,PCBM往往聚集,形成大域大小P3HT / PCBM电影在热处理(16- - - - - -18]。因此,可以评估如果PCBM / P3HT的分布是穿制服的使用光学显微镜(21]。如图2,聚合PCBM域密度逐渐增加底物(3)地区中心的边缘的衬底(区域1和5)。这表明边缘PCBM浓度高于后在中心旋转涂布过程。进一步找出实际P3HT / PCBM比率在这些地区,构造紫外可见校准曲线(图3(一个))。P3HT / PCBM在不同地区(1、2和3)溶解在二氯苯和紫外可见光谱测量(假定涂料是对称旋转涂布过程中(15])。如图3 (b)的相对强度我331年(PCBM和P3HT的吸收)我463年(P3HT的吸收)从区域3(中心)区域增加1(边缘),表明高PCBM浓度(区域1)边缘的相对强度 来 计算在不同地区 0.2191是在331 nm P3HT的吸收强度。相应的P3HT / PCBM比率通过使用校准曲线表中列出1。二氯苯的1% P3HT / PCBM解决方案1:1。理想情况下,P3HT的比例/ PCBM 1: 1在衬底。实际P3HT中心/ PCBM比率是1:0.85,边缘1:1.22。部分PCBM分子移动进一步旋转涂布过程中以外的中心地区。P3HT PCBM均匀溶解在二氯苯和分布相互独立的解决方案。然而,P3HT聚合物材料和许多分子和PCBM之间的纠葛是小分子在溶液中没有这样的纠缠。在从普通solvent-dichlorobenzene旋转涂布,P3HT和PCBM承担不同程度的离心力15),表现出不同的涂层行为。PCBM被远离中心的部分地区,搬到外部区域。涂层P3HT的行为的差异和PCBM最终构成整个基质P3HT / PCBM比率的变化。

表1
率列表 来 和实际P3HT / PCBM成分(1:1,从理论上讲,没有增容剂)在区域1、2和3的衬底。

图2
光学显微镜照片( 100)的聚合PCBM域的分布退火(150°C, 30分钟)P3HT / PCBM(1: 1)电影在2厘米×3厘米玻璃衬底(边缘:区域1和5;中心:区域3)。
(一)
(一)
(b)
(b)
图3
紫外可见光谱(a) P3HT / PCBM (1: )(校准曲线)和(b) P3HT / PCBM地区(1:1)吸收1,2,3。

羟基end-functionalized P3HT (HOC-P3HT-COH)已被证明是一种有效的增容剂的稳定P3HT / PCBM混合[13]。羟基之间的H-bonds HOC-P3HT-COH和酯组PCBM稳定形态P3HT / PCBM混合。作为HOC-P3HT-COH添加到P3HT / PCBM解决方案,P3HT和PCBM分子通过H-bond物理连接的形成。P3HT / HOC-P3HT-COH PCBM可视为一个身体保税分子旋转涂布过程中。1% P3HT / HOC-P3HT-COH PCBM解决方案是spin-coated到衬底,P3HT, HOC-P3HT-COH, PCBM不分开。它们形成一个穿制服的涂层衬底。如图4,聚合PCBM域分布是穿制服在衬底表明一致P3HT / PCBM基质组成。是非常重要的,HOC-P3HT-COH不仅稳定P3HT / PCBM形态,而且均匀分散在P3HT PCBM。紫外可见吸收P3HT的校准曲线/ HOC-P3HT-COH / PCBM (1: 0.1:X构造(图)5(一个))确定P3HT / PCBM比率在区域1,2,3。如图5 (b)的相对强度比率我331年来我463年在该地区,区域2,和区域3非常类似揭示P3HT的比率的信息/ PCBM是一致的在这三个地区。实际P3HT / PCBM比率由校准的紫外可见吸收曲线1:0.94(区域1),1:0.95(区域2),和1:1.03(3)地区(表2)。这些值接近P3HT / PCBM比率(1:0.91)在溶液中如果10% HOC-P3HT-COH考虑的吸收。

表2
率列表 来 和实际PCBM / P3HT*成分(1:1.1,从理论上讲,增容剂)在区域1、2和3的衬底。

图4
光学显微镜照片( 100)的聚合PCBM域的分布退火(150°C, 30分钟)P3HT / HOC-P3HT-COH PCBM(1: 0.1: 1)电影在2厘米×3厘米玻璃衬底(边缘:区域1和5;中心:区域3)。
(一)
(一)
(b)
(b)
图5
紫外可见光谱(a) P3HT / HOC-P3HT-COH PCBM (1: 0.1:X)(校准曲线)和(b) P3HT / HOC-P3HT-COH PCBM地区吸收1,2,3。

检查P3HT / PCBM比率是如何影响性能的聚合物太阳能电池在不同地区相同的底物,ITO衬底是图案形式见图的入口6。5设备对称设计2厘米×3厘米衬底。如图6, 设备有10%在活性层HOC-P3HT-COH都高于那些没有HOC-P3HT-COH,分别。它已被证明13],减少PCBM聚集是导致更高的因素之一 价值与HOC-P3HT-COH聚合物太阳能电池的活性层。此外,P3HT / PCBM层的热稳定性也提高了添加HOC-P3HT-COH P3HT / PCBM层。

(一)
(一)
(b)
(b)
图6
J- - - - - -V曲线(一)P3HT / PCBM(1: 1)和(b) P3HT / HOC-P3HT-COH PCBM(1: 0.1: 1)基于聚合物太阳能电池器件结构的ITO / PEDOT: PSS (40 nm) /活跃层(100海里)/ Ca /铝在不同地区(1 - 5)相同的底物。

在这项研究中,设备性能的一致性在不同地区2厘米×3厘米底物已得到改进,如表所示3和4。标准偏差的 , 、FF和η设备(设备1 - 5如图6)与HOC-P3HT-COH活跃层中的所有低于没有HOC-P3HT-COH活跃层,分别。这些结果表明,掺入HOC-P3HT-COH作为增容剂提高了性能偏差的设备在一个底物2厘米×3厘米,这是高度相关P3HT衬底/ PCBM比率。如前所述,P3HT / PCBM比率偏离高衬底(1:0.85)的中心到边缘的衬底(1:1.22)没有HOC-P3HT-COH电影(表1)。这种偏差是减少通过添加HOC-P3HT-COH P3HT / PCBM层(表2从设备性能)相匹配的结果如表所示3和4。高性能聚合物太阳能电池平均3.71%的功率转换效率和低标准偏差AM1.5G辐照下准备10% HOC-P3HT-COH P3HT / PCBM (1: 1)。

表3
太阳能电池的性能P3HT / PCBM(1: 1)基于聚合物太阳能电池在不同地区的2厘米×3厘米衬底。活性层是热在150°C 10分钟。
表4
太阳能电池的性能P3HT / HOC-P3HT-COH PCBM(1: 0.1: 1)基于聚合物太阳能电池在不同地区的2厘米×3厘米衬底。活性层是热在150°C 10分钟。

4所示。结论

成分的P3HT / PCBM 2厘米×3厘米被发现是不一致的中心部分的衬底基片的边缘。PCBM浓度往往是更高的边缘的衬底。这可以解决通过添加羟基end-functionalized P3HT P3HT的增容剂和PCBM。成分变化在整个基片衬底变得一致。这将可能提高大面积聚合物太阳能电池的性能,因为P3HT / PCBM基质的均匀分布。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作由科技部支持台湾(大多数103 - 2113 m - 030 - 005)。金融支持台湾中央研究院(可持续性科学项目- 103 ss - a02)也从天主教辅仁大学也表示赞赏。Ping-Tsung黄喜欢谢谢Chin-Tin陈教授和Yu-Jui黄先生(台湾中央研究院化学研究所)协助设备制造。

补充材料

补充图S1: TEM显微图(a) P3HT / PCBM (1:1) (b) P3HT / HOC-P3HT-COH PCBM(1: 0.1: 1)电影退火在150°C 30分钟。PCBM精细分散在P3HT / HOC-P3HT-COH PCBM(1: 0.1: 1)电影如图所示(图S1 (b))在TEM显微照片。聚合的PCBM被引入H-bond减少HOC-P3HT-COH和PCBM之间。

  1. 补充材料