两种方法优化有机太阳能电池

Efficientorganicsolarcellswithsolution-processedcarbonnanosheetsastransparentelectrodes高效有机太阳能电池用可溶液加工碳纳米薄膜作为透明电极大部分OSCs是以铟锡氧化物(ITO)为透明电极。目前研究的用来替代ITO的各种透明导电材料有：如导电聚合物2-4、金属纳米材料1,5、碳纳米管1,6和石墨烯7-8等。而石墨烯(一种二维导电碳纳米片)因其很好的透明性、导电性和机械灵活性被认为是最有潜力的ITO替代材料。Appl.Phys.Lett.102,043304(2013)•目前制备石墨烯最典型的两种方法：I.chemicalexfoliation(化学剥离法)：经过连续的氧化、剥离、还原过程；但是用化学法制备的石墨烯边缘含有氧化基团，导致薄膜表面电阻较大，故OSCs效率一般较低0.1%-1.27%II.chemicalvapordeposition(CVD)method(CVD法)：合成大面积高导电性石墨烯片，OSCs效率约为1.23%-2.6%(1)石墨(黑色线条)氧化为夹层间距更大的氧化石墨(浅色线条)(2)在水中通过超声作用剥落氧化石墨得到氧化石墨烯胶体，该体系由于静电排斥作用而稳定存在(3)通过还原，氧化石墨烯胶体脱氧转化为导电的石墨烯胶体(a)氧化石墨烯溶液(b)对应的石墨烯溶液化学进展，第24卷，第4期，2012年4月化学法制备石墨烯水溶液流程图CVD制备流程图在氢气/氩气或其它惰性气体环境下进行，用一些过渡金属，最常用镍或者铜金属薄片或者膜作为基底兼催化剂。加热使得碳氢化合物裂解，在基底表面沉积形成石墨烯膜石墨烯从铜基底转移到PET(不饱和聚酯)基底的工序化学进展，第24卷，第4期，2012年4月一种不用转移基底且不使用催化剂的方法来制备高质量、可溶液加工的石墨烯薄膜——CNS聚丙烯晴(PAN)溶解在二甲基甲酰胺(DMF)中，旋涂在石英基片上。旋涂后的PAN薄膜，250摄氏度氧化两小时产生环化反应，PAN结构碳氮三键转化为双键，产生一个六元环吡啶环。在H2/Ar混合气氛中，以5摄氏度/分钟的加热率加热直到1200摄氏度，环化薄膜碳化。氮、氰化物、氨被去除，环化聚合物形成环化聚合物链。(a)FabricationofCNS:aspin-coatedPANpolymerandstabilizationandcarbonizationprocesses(b)SchematicrepresentationofthefabricationsequenceforITO-freesolarcellswithasolution-processedCNSanodefilmA.PEDOT:PSS缓冲层旋涂在CNS薄膜表面，120摄氏度干燥10分钟。B.50mgP3HT、50mgPCBM溶解在2ml的1,2-邻二氯苯溶液中旋涂在PEDOT:PSS表面，氮气手套箱中操作。C.氮气气氛中120分钟溶剂退火处理和110摄氏度10分钟热退火。D.Ca(20nm)/Al(100nm)金属电极真空蒸发，真空度10-4Pa。测试1.四探针系统测量表面电阻，CNS紫外可见透射光谱由JascoV-570UV–vis/NIR分光光度计测量。原子力显微镜测量CNS薄膜厚度。2.Keithley1200、AM1.5，光强100mW/cm2测量光伏特性，经过Si太阳能电池校准。AFMimagesofCNSfilmspreparedbyspincoatingof(a)0.1,(b)0.5,(c)1.0,(d)1.5,(e)2.0,and(f)2.5 wt.%PANsolutions.ThethicknessesofCNSanodesspin-coatedatvariousPANconcentrationswere0.8nmat0.1wt.%,1.6nmat0.5wt.%,4.6nmat1.0wt.%,7.9nmat1.5wt.%,13nmat2.0wt.%,and19nmat2.5wt.%,respectively.(a)SheetresistanceandfilmthicknessasfunctionsofthePANconcentration.(b)OpticaltransmissionspectraofCNSfilmsasfunctionsofthePANconcentration.TheinsetshowsconductivitiesofCNSfilmsasfunctionsofthePANconcentration.•FF与Rs和Rsh有关•CNS薄膜较厚时透射率下降，比较薄的CNS薄膜使得活性层中的光子数量增加，从而激子和电流会增加。•在欧姆接触的情况下，Voc是有给体HOMO和受体LUMO能级决定。总结•本文在石英基底旋涂溶于DMF的PAN，经过环化、碳化等系列措施，产生CNS透明导电薄膜，以这种薄膜为电极制备BHJ有机太阳能电池。比一般的石墨烯导电薄膜制备的太阳能电池效率高(1.76%)。参考文献1.D.S.Hecht,L.Hu,andG.Irvin,Adv.Mater.23,1482(2011).2.S.-I.Na,S.-S.Kim,J.Jo,andD.-Y.Kim,Adv.Mater.20,4061(2008).3.Y.Xia,K.Sun,andJ.Ouyang,Adv.Mater.24,2436(2012).4.J.-S.Yeo,J.-M.Yun,D.-Y.Kim,S.Park,S.-S.Kim,M.-H.Yoon,T.-W.Kim,andS.-I.Na,ACSAppl.Mater.Interfaces4,2551(2012).5.C.-H.Chung,T.-B.Song,B.Bob,R.Zhu,H.-S.Duan,andY.Yang,Adv.Mater.24,5499(2012).6.Z.Wu,Z.Chen,X.Du,J.M.Logan,J.Sippel,M.Nikolou,K.Kamaras,J.R.Reynolds,D.B.Tanner,A.F.Hebard,andA.G.Rinzler,Science305,1273(2004).[MEDLINE]7.K.S.Kim,Y.Zhao,H.Jang,S.Y.Lee,J.M.Kim,K.S.Kim,J.-H.Ahn,P.Kim,J.-Y.Choi,andB.H.Hong,Nature457,706(2009).[MEDLINE]8.X.Wan,G.Long,L.Huang,andY.Chen,Adv.Mater.23,5342(2011)Immerseprecipitationasanefficientprotocoltooptimizemorphologyandperformanceoforganicsolarcells一种有效地优化有机太阳能电池形貌和性能的方法——浸没沉淀法对于体异质结太阳能电池，有机层的薄膜形貌对于器件性能的影响是很大的，因此，退火1、添加剂2、预聚集3以及界面工程4,5等方法被研究以形成理想的薄膜形貌。此外，对传统的旋涂过程中，溶剂的处理也是一个很重要的因素，一般低沸点的溶剂可以直接挥发至空气中，但是对于沸点较高的溶剂，在高温烘烤的同时，也可以采用两相分离-萃取的方法来去除（通过使用一种与溶剂相溶解，但是与有机层不溶的溶剂）。Appl.Phys.Lett.101,233306(2012)Immerseprecipitation(IP)浸没沉淀法详解(1)旋涂(2)薄膜1，含有CF(氯仿)、DIO(二碘辛烷)(3)CF蒸发(4)薄膜2，含有DIO(5)滴入soakingsolvent(6)DIO被浸泡液溶解后，在旋涂过程中通过离心力作用被去除APPLIEDPHYSICSLETTERS101,233306(2012)实验：器件结构：ITO/PEDOT:PSS/PCTDPP:PCBM/Al，ITO面电阻8.5Ω/□,异丙醇、丙酮、酒精超声清洗，再经过紫外臭氧清洁，PEDOT:PSS旋涂在ITO表面，转速3000rpm，大气中150°C烘焙15分钟。12.5mgPCTDPP:PCBM(1:1.5wt.%)溶入1mlCF:DIO(100:2vol.%),40oC搅拌14小时，1000rpm旋涂，活性层厚度经AFM测试80nm，最后蒸发Al电极。.器件的电流-电压特性：(Glass/ITO/PEDOT:PSS/PCTDP:PCBM/Al)传统旋涂方法(A);浸没沉淀法，甲醇作为浸泡溶剂(B);酒精作为浸泡溶剂(C);异丙醇做浸泡溶剂(D).FIG.3.器件表面粗糙度(a)A,(b)B,(c)C,and(d)D;器件活性层相位图(e)A,(f)B,(g)C,and(h)D.插图(c)表明存在针孔。FIG.4.UV-visibleabsorptionspectraofactivelayersfromdeviceA,B,C,andD.与传统的旋涂方法制备的薄膜不同，用浸没沉淀法使得有机层得到固化，通过使用选择性溶解的浸泡溶剂来溶解高沸点的DIO，能够形成更好的薄膜表面形貌，同时，器件性能也得到优化。[1]G.Li,V.Shrotriya,J.Huang,Y.Yao,T.Moriarty,K.Emery,andY.Yang,Nat.Mater.4(11),864(2005).[2]J.KwanLee,W.L.Ma,C.J.Brabec,J.Yuen,J.S.Moon,J.Y.Kim,K.Lee,G.C.Bazan,andA.J.Heeger,J.Am.Chem.Soc.130(11),3619(2008).[3]L.Zuo,X.Hu,T.Ye,T.Andersen,H.Li,M.Shi,M.Xu,J.Ling,Q.Zheng,J.Xu,E.Bundgaard,F.C.Krebs,andH.Z.Chen,J.Phys.Chem.C116(32),16893–16900(2012).[4]Y.Sun,S.Chien,H.Yip,K.Chen,Y.Zhang,J.A.Davies,F.Chen,B.Lin,andA.K.Y.Jen,J.Mater.Chem.22(12),5587–5595(2012).[5]L.Zuo,X.Jiang,L.Yang,M.Xu,Y.Nan,Q.Yan,andH.Z.Chen,Appl.Phys.Lett.99(18),183306(2011)参考文献