alkane类添加剂用于聚合物太阳能电池的研究

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翻新时间：2023-02-18

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alkane类添加剂用于聚合物太阳能电池的研究

摘要：文章研究对象为P3HT：PC61BM体异质结聚合物太阳能电池，通过在活性层溶液中掺入添加剂改善给体材料与受体材料之间的分离状态，分析alkane类化合物在聚合物太阳能电池中的作用机理。

关键词：聚合物太阳能电池；体异质结；添加剂；alkane类化合物

进入21世纪，太阳能作为一种绿色环保能源已经成为人们重点开发的新能源。近年来随着对体异质结聚合物太阳能电池的不断深入研究，其为太阳能电池的发展提供了新方向。本文以P3HT？XPC61BM体异质结聚合物太阳能电池为基本器件结构，通过对活性层溶液添加alkane类化合物作为添加剂来改善聚合物太阳能电池的性能。

1 聚合物太阳能电池的基本器件结构

本文的聚合物太阳能电池的基本器件结构，如图1所示，其中的活性层（Active Layer）采用P3HT？XPC61BM体异质结膜层。该基本器件的制作过程主要包括活性层溶液的配制，有机薄膜的旋涂，金属Al阴极的蒸镀等。

2 不同末端基团添加剂对聚合物太阳能电池性能的影响

本文选择octanedithiol（ODT），dibromooctane（DBO）和diio-

dooctane（DIO）这三种化合物作为活性层溶液的添加剂，通过比较在主溶剂氯苯（CB）中分别掺入相同浓度的上述添加剂，从而分析不同末端原子基团与器件性能变化之间的关系。

上述三种添加剂的一些物理和化学特性，见表1。

实验制备了4组活性层溶液：

（其中X=none、ODT、DBO和DIO）；制备的光伏器件在氯苯中加入ODT、DBO和DIO后的相关参数，见表2，电池对应的光电流J-V曲线，如图2所示。

从表2可以清楚发现，光伏器件的开路电压并没有因为添加剂的存在与否以及种类而发生明显的变化。通过分析上述实验器件的开路电压可以知道，这三种alkane类化合物并没有与任何物质发生反应，器件中给体材料和受体材料的HOMO和LUMO能级没有改变。

从表2可知，光伏电池的短路电流与添加剂的种类息息相关，这是由于电池中空穴或电子的传递效率是不同的。

当活性层中加入60 μLODT，电池的短路电流明显增大；而在加入等量的DBO或DIO的电池的短路电流并没有达到最大值，这要归因后退火处理引起活性层中P3HT和PC61BM的结晶过度，而降低载流子的传递效率。

若电池不进行后退火处理，其会得不到理想的性能要求；此外，主溶剂CB的沸点和添加剂的沸点之间的高低关系与后退火处理的温度是密切联系的。

一方面残留的添加剂可依靠高温退火去除，另一方面该退火步骤也提高了活性层中的有机物的结晶程度。P3HT的熔点和玻璃态转变温度分别为230 ℃和110 ℃，如果要将P3HT在活性层中的结构排列发生变化，其退火温度必须大于110 ℃。又由于氯苯中加入了沸点较高的添加剂，在活性层的成膜过程中，长链态的P3HT会由于氯苯与添加剂具有较大差别的挥发速度而促使其慢慢地发展为玻璃态。后续步骤中氯苯的逐渐挥发和退火过程，长链分子状的P3HT会发生自组装过程而结晶为排列有序的形态。

由于在挥发速度上ODT>DBO>DIO，故上述添加剂与氯苯以及P3HT？XPC61BM的相互作用强度也依次递增，最终造成P3HT？XPC61BM体异质结的相分离与结晶程度存在相应的差别，制备出来的光伏电池性能也有所不同。

从上可知，P3HT？XPC61BM体系在不同添加剂与CB分子作用下发生了相应的团聚结晶。

在分子角度来看，氯苯与上述添加剂的不同挥发速度对P3HT？XPC61BM产生不同程度的外部影响，这与不同添加剂的末端基团是相互联系的。

上述外部影响大大提高了电子和空穴的传递状况。

3 不同末端基团添加剂对活性层表面形貌的影响

从宏观角度来说，活性层表面形貌会因添加剂而改变，其表面的起伏粗糙随着添加剂的种类而变化，高沸点添加剂使P3HT和PC61BM之间相分离更加容易发生，P3HT分子链之间的相互作用使其通过自组装为空穴和电子的传递通道，PC61BM也会结晶为有序分布的状态。

添加剂的挥发过程增加了P3HT和PC61BM之间的相分离过程以及自身的结晶过程，这有利于不同给体和受体的进一步分离，以使得活性层出现连续二维网络的分布结构。

4 结语

从上述实验分析可知，不同沸点的添加剂对活性层中的P3HT和PC61BM之间的相分离具有不同程度的作用，这归因于给体材料和受体材料之间的自组装和结晶过程，最终的结果是导致活性层中形成了有利于电子和空穴传递的通道和网络，从而使得电池表现出来的性能也不尽相同。