混合溶剂浸泡调控聚合物太阳能电池形貌与性能

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聚合物太阳能电池因其成本低,可以湿法加工和可实现柔性器件等优点而受到广泛关注。当前主流的体异质结太阳能电池的光电性能与活性层形貌密切相关,通过优化活性层形貌提升器件效率成为研究热点。目前,活性层形貌的调控方法主要包括热退火和溶剂气氛处理,然而这两种方法都不适用于大面积太阳能电池。本论文率先提出混合溶剂浸泡处理的方法调控活性层形貌,实现器件效率的提升,并成功应用于大面积太阳能电池活性层形貌的调控中。主要内容及结论如下:  首先,我们以THF可控溶剂气氛处理为参照,对P3HT/PCBM薄膜进行THF/H2O混合溶剂浸泡处理,研究二者的相关性。研究发现,混合溶剂浸泡处理可以诱导调控P3HT结晶度和PCBM聚集,形成不同尺寸的两相分离形貌,同时改善活性层垂直方向的组分分布和形貌。器件形貌和效率演变规律与THF可控溶剂气氛处理相同,但是浸泡处理下P3HT结晶度和器件效率的提升程度更高。在相同处理时间下,两种处理对PCBM分子调控作用基本相同,存在线性关系。  其次,我们选取甲醇/二硫化碳(CH3OH/CS2)混合溶剂体系对P3HT/PCBM复合薄膜进行浸泡处理。混合溶剂浸泡处理后,P3HT结晶度提高,薄膜形成纳米尺度相分离的网络互穿结构。同时,薄膜底面空间受限作用导致PCBM向上扩散运动,出现明显的两相分离形貌,并且底面P3HT含量提高。通过溶剂浸泡处理,电池效率由初始的1.45%提升至3.23%,高于热退火处理的器件效率(2.79%)。  再次,由于溶剂都具有毒性和挥发性,溶剂后处理容易造成环境污染,不利于绿色太阳能电池的开发应用。为了降低溶剂后处理过程对环境的影响,我们利用水基混合溶剂(水/二硫化碳)浸泡调控聚合物活性层形貌和光电性能,其中CS2含量仅为0.13 wt%。浸泡处理薄膜表面形成50~70 nm的PCBM聚集体,表面PCBM相对含量增高,有利于电荷传导和收集。薄膜光电转换效率由初始的1.84%提升至3.09%,验证了水基混合溶剂浸泡处理对器件性能提升的可行性。  最后,为进一步优化活性层形貌,我们对薄膜进行CH3OH/CS2和H2O/CS2两步浸泡处理,薄膜表面和底面都形成纳米尺寸两相分离形貌,且表面P3HT含量降低,底面P3HT含量升高,器件效率进一步提升。同时,将混合溶剂浸泡处理应用于大面积超声喷涂太阳能电池,处理器件效率由初始的0.37%提升至1.65%,表明浸泡处理对提升大面积喷涂电池效率具有潜在的应用。  我们利用混合溶剂浸泡处理方法构建了纳米尺寸相分离的网络互穿结构,同时优化了活性层垂直组分分布,使器件效率最终得到提升。此方法能耗低,简便易操作,不受环境温度湿度等影响,在大面积电池器件制备加工中有广泛的应用前景。
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