PEDOT:PSS薄膜的掺杂改性及其在有机太阳能电池中的应用研究

【摘要】： 目前困扰有机太阳能电池发展的主要问题是器件效率偏低,如何提高它的能量转换效率是其能否商业化和与传统无机光伏电池竞争的关键。本文围绕有机太阳能电池阳极修饰层聚3,4-乙撑二氧噻吩：聚(对苯乙烯磺酸)根阴离子(PEDOT:PSS)薄膜的掺杂改性及其在有机太阳能电池中的应用研究开展了相关工作,主要内容与结论如下： 1.采用共混-旋涂法在石英玻片上分别制备出经多壁碳纳米管(MWCNTs)、山梨醇、溴三种掺杂剂掺杂的PEDOT:PSS透明导电膜,研究了不同掺杂剂的加入对薄膜透光性能与导电性能的影响。 ①在550nm～850nm波段,多壁碳纳米管掺杂使PEDOT:PSS薄膜透光性能有所降低,山梨醇与溴掺杂则有利于PEDOT:PSS薄膜透光性能的提高。 ②多壁碳纳米管、山梨醇、溴掺杂均可提高PEDOT:PSS薄膜的导电性能。其中,8wt%山梨醇掺杂可以使PEDOT:PSS薄膜的导电能力提高400多倍。6wt%溴掺杂可以使PEDOT:PSS薄膜的导电能力提高近300倍。0.20wt%多壁碳纳米管掺杂可以使PEDOT:PSS薄膜的导电能力提高约40倍。 2.根据X射线衍射(XRD),扫描电镜(SEM),原子力显微镜(AFM),X射线光电子能谱(XPS)等检测结果,详细研究了多壁碳纳米管、山梨醇、溴三种掺杂剂的加入与PEDOT:PSS薄膜导电性能变化之间的内在联系。 ①多壁碳纳米管掺杂PEDOT:PSS薄膜的导电机理可以概括为二种效应,一是“共轭效应”,二是碳管“网络效应”。在多壁碳纳米管微量掺杂阶段(0.04wt%),碳管在薄膜中零星分布,相互之间少有接触,此时,多壁碳纳米管会与PEDOT主链中五元噻吩环发生π-π共轭作用,引起二者之间电子云密度的变化,从而增加了PEDOT主链载流子的离域化程度,有利于薄膜导电性能的提高。当多壁碳纳米管掺杂含量达到0.10wt%时,多壁碳纳米管在薄膜内部形成网络结构,新导电通道形成,有效提高薄膜导电性能。掺杂量超过0.20wt%时,由于碳管相互接触电阻增大,薄膜导电性能开始下降。 ②山梨醇掺杂PEDOT:PSS薄膜导电机理：山梨醇的加入致使PEDOT主链结构发生发生苯-醌变化。苯式结构的PEDOT分子以无规线团形卷曲状存在,而醌式结构的PEDOT分子表现为伸展形卷曲状或直线状。相比较而言,伸展形卷曲状或直线状链形态中局部有序结构大幅增加,有利于载流子在PEDOT链中的迁移,从而表现为PEDOT:PSS薄膜电导率增加。 ③溴掺杂PEDOT:PSS薄膜导电机理：溴加入PEDOT:PSS水溶液中,会与水反应生成具有弱氧化性的氢溴酸；同时,溴在水中饱合时,还存在具有弱氧化性的溴分子。二种弱氧化物的存在,对于PEDOT:PSS薄膜会产生二种作用：一是释放更多的电子,使PEDOT主链上空穴载流子浓度增加,增加薄膜导电性能；二是由于其氧化性的存在,对PEDOT的主链结构会有所破坏,降低薄膜导电性能。当第一种效应大于第二效应时,薄膜的导电性能表现为增加；而当第二种效应大于第一种效应时,薄膜的导电性能表现为下降。 3.以聚(3-己基噻吩)与1-(3-甲氧基羧基)-丙基-1-苯基-(6,6)C61共混物为光电活性层,制备了器件结构不同的有机太阳能电池,分别考察了经多壁碳纳米管、山梨醇、溴掺杂处理后的PEDOT:PSS薄膜对器件光伏性能与稳定性能的影响。 ①多壁碳纳米管与山梨醇的掺杂,增加了器件中的漏电流,降低了器件的并联电阻,不利于器件效率的改善。溴掺杂对器件漏电流与并联电阻未有明显影响。 ②多壁碳纳米管、山梨醇、溴掺杂均可降低器件串联电阻,提高光电池能量转换效率。6wt%溴掺杂条件下,器件开路电压为0.60V,短路电流为10.31mA/cm2,FF为51.1,能量转换效率为3.16%,较未掺杂器件效率提高了约49%。8wt%山梨醇掺杂条件下,器件开路电压为0.53V,短路电流为11.27 mA/cm2,FF为49.1,能量转换效率为2.93%,较未掺杂器件效率提高了约38.2%。0.04wt%多壁碳纳米管掺杂条件下,器件开路电压为0.55V,短路电流为9.52 mA/cm2,FF为44.8,能量转换效率为2.35%,较未掺杂器件效率提高了约13%。 ③器件稳定性能实验显示：多壁碳纳米管(0.04wt%)与山梨醇(8wt%)掺杂对置于手套箱(高纯氩气；水、氧含量1ppm；室温)中器件的稳定性能未有影响(20天)；相同实验环境中,溴(6wt%)掺杂则使器件效率在12天上开始下降。 【关键词】：PEDOT PSS薄膜 掺杂 导电机理 有机太阳能电池 能量转换效
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 0 前言14-15
• 1 文献综述15-42
• 1.1 有机太阳能电池15-33
• 1.1.1 太阳能电池的研究和开发利用15-16
• 1.1.2 有机太阳能电池的发展简史16-18
• 1.1.3 有机太阳能电池的器件结构及其基本原理18-22
• 1.1.3.1 单层器件19
• 1.1.3.2 双层异质结器件19-20
• 1.1.3.3 体相异质结器件20-22
• 1.1.4 有机太阳能电池的性能表征22-25
• 1.1.4.1 光电流曲线23-25
• 1.1.4.2 暗电流曲线25
• 1.1.5 影响有机太阳能电池效率的主要因素与相关研究25-33
• 1.1.5.1 光电转换活性层25-30
• 1.1.5.2 器件电极及其修饰30-33
• 1.2 PEDOT:PSS薄膜33-37
• 1.2.1 导电聚合物简介33-35
• 1.2.2 PEDOT:PSS薄膜35-37
• 1.2.2.1 PEDOT35-36
• 1.2.2.2 PEDOT:PSS薄膜36-37
• 1.3 PEDOT:PSS薄膜在有机太阳能电池领域的研究现状37-40
• 1.4 本论文研究目的与主要内容40-42
• 2 实验方法、设备及模拟软件42-54
• 2.1 制备方法与相关设备42-48
• 2.1.1 PEDOT:PSS薄膜的制备42-44
• 2.1.1.1 旋涂法42-43
• 2.1.1.2 旋涂仪43-44
• 2.1.1.3 旋涂过程44
• 2.1.2 有机太阳能电池的制备44-48
• 2.1.2.1 器件制备44-46
• 2.1.2.2 器件制备过程中的主要设备46-48
• 2.2 计算机模拟与MS(Material Stadio)软件简介48-54
• 2.2.1 Materials-studio软件简介48-51
• 2.2.1.1 建模与几何结构和电子结构模块49-50
• 2.2.1.2 性能预测模块50-51
• 2.2.2 分子动力学模拟51-54
• 2.2.2.1 分子动力学模拟基本原理51
• 2.2.2.2 分子动力学模拟方法51-52
• 2.2.2.3 分子动力学模拟步骤52-54
• 3 PEDOT:PSS薄膜的碳管掺杂及其在有机太阳能电池中的应用研究54-81
• 3.1 研究背景54-55
• 3.2 试剂与仪器55-57
• 3.2.1 试剂55-56
• 3.2.2 仪器56-57
• 3.3 实验方法57-63
• 3.3.1 碳纳米管的预处理57-58
• 3.3.2 薄膜制备58-59
• 3.3.3 器件制备59
• 3.3.4 检测与表征59-63
• 3.4 结果与讨论63-79
• 3.4.1 MWCNTs酸化处理63-66
• 3.4.2 碳管掺杂对PEDOT:PSS薄膜性能的影响66-68
• 3.4.3 MWCNTs掺杂PEDOT:PSS薄膜导电机理研究68-75
• 3.4.4 PEDOT:PSS薄膜的MWCNTs掺杂对器件性能的影响75-79
• 3.5 本章小结79-81
• 4 PEDOT:PSS薄膜的山梨醇掺杂及其在有机太阳能电池中的应用研究81-101
• 4.1 研究背景81-82
• 4.2 试剂与仪器82-83
• 4.2.1 试剂82
• 4.2.2 仪器82-83
• 4.3 实验方法83-86
• 4.3.1 薄膜制备83
• 4.3.2 有机太阳能电池制备83-84
• 4.3.3 检测与表征84-85
• 4.3.4 计算模拟85-86
• 4.4 结果与讨论86-99
• 4.4.1 山梨醇掺杂对PEDOT:PSS薄膜性能的影响86-87
• 4.4.2 山梨醇掺杂PEDOT:PSS薄膜导电机理研究87-95
• 4.4.3 PEDOT:PSS薄膜的山梨醇掺杂对器件性能的影响95-99
• 4.5 本章小结99-101
• 5 PEDOT:PSS薄膜的溴掺杂及其在有机太阳能电池中的应用研究101-118
• 5.1 研究背景101-102
• 5.2 试剂与仪器102
• 5.2.1 试剂102
• 5.2.2 仪器102
• 5.3 实验方法102-105
• 5.3.1 溴的预处理102-103
• 5.3.2 薄膜制备103
• 5.3.3 有机太阳能电池制备103-104
• 5.3.4 检测与表征104-105
• 5.4 结果与讨论105-116
• 5.4.1 溴掺杂对PEDOT:PSS薄膜性能的影响105-107
• 5.4.2 溴掺杂PEDOT:PSS薄膜的导电机理107-112
• 5.4.3 PEDOT:PSS薄膜的溴掺杂对器件性能的影响112-116
• 5.5 本章小结116-118
• 6 结论及展望118-122
• 6.1 主要结论118-120
• 6.2 论文的创新点120-121
• 6.3 认识与展望121-122
• 参考文献122-133
• 致谢133-134
• 个人简历134
• 发表的学术论文134

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

新一代砷化镓太阳能电池效率突破50%    章从福;

碳纳米管的电学性质    饶早英;王蜀霞;牛君杰;杨云青;胡慧君;

太阳能电池在飞艇上的应用研究进展    鄢红陵;张秋禹;张力;张军平;尹常杰;

有机薄膜太阳能电池的研究进展    沐俊应;徐娟;粱氏秋水;朱宏伟;陈振兴;

碳纳米管膜电阻率的测定与导电机理    胡陈果,叶翠兰,陈杨

不同溶剂中导电聚合物PEDOT的化学氧化聚合及光谱研究    汪斌华,邓永红,戈钧,周啸,王晓工,杨邦朝

多壁碳纳米管的处理及其在芳纶1313中的分散    王川;邢哲;夏延致;隋坤艳;纪全;孔庆山;

太阳能电池在照明灯具上的应用(下)    孟昭渊

聚噻吩/多壁碳纳米管复合材料的导电性能    王红敏;晋圣松;唐国强;韩菲菲;梁旦;徐学诚;

多壁碳纳米管与溴的相互作用及导电机理    唐国强;王红敏;晋圣松;边成香;韩菲菲;梁旦;徐学诚;

无机纳米粒子/导电聚苯胺纳米复合材料的研究    王韶旭

有机小分子太阳能电池的界面研究    宋群梁

聚酰亚胺结构与性能的分子模拟及分子设计的研究    潘睿

导电聚合物纳米材料的制备及特性研究    杨亚杰

聚芳醚/碳纳米管复合梯度膜的制备    于爱国

PI/Al_2O_3和PI/SiO_2纳米复合薄膜结构与性能模拟    杨红军

激光测定高聚物的双折射率    张武,郭虎子,林德宽

高频低损耗PS/TiO_2复合材料介电性能研究    王庭慰,陈逸范,郭勇

聚苯硫醚的摩擦学性能    杨宝林,阎逢元,李波

长玻璃纤维增强尼龙6的力学性能研究    刘正军,韩克清,周洪梅,杜秉公,余木火

EPDM-g-MAH对PA6/ABS合金性能的影响    黄伯芬;张国强;王樱;

(MMA/PMOE)共聚物交联改性研究    周文俊;陈凌霞;沈健伟;周晓东;

气辅挤出成型中挤出物直径的理论预测和实验研究    肖建华;

PA1111/SEBS-g-MAH共混体系的力学性能与微观结构形态研究    徐迎强;杨韶辉;李召朋;傅灿平;张彦昌;傅鹏;刘民英;王玉东;赵清香;

动态热力学分析在高分子材料中的应用    刘晓;

热塑性塑料注射成型收缩率研究进展    毛明忠;盛仲夷;谢松桂;周雪琴;

热致相分离法制备聚偏氟乙烯微孔膜的研究进展    刘文娟;郭诗琪;王秀菊;王立国;

氨纶拉伸-回复过程的力学行为与热效应    廖云;王孟;陈大俊;

PDMAEMA/PSF中空纤维复合纳滤膜的截留性能与预涂膜中聚电解质分子的构象    李国东;杜启云;王薇;任连娟;刁波;

聚偏氟乙烯/聚氨酯共混膜结构与性能研究    胡晓宇;肖长发;安树林;

聚乙烯中空纤维膜的亲水改性研究    刘振;周津;李会军;

超高分子量聚乙烯在液体石蜡中的等温结晶动力学    张春芳;徐又一;朱宝库;

高效反应性脱色絮凝剂的合成及应用    董学亮;孙希孟;刘小培;李中贤;徐丹;余学军;

超支化环氧化合物改善环氧树脂力学性能机理分析    夏敏;罗运军;李晓萌;赖振峰;

有机硅改性聚酯纤维亲水整理剂的合成及其应用    刘瑞云;

PID控温系统在高聚物蠕变试验中的应用    刘晓玲;苏玉芹;

低密度SiO_2及其复合气凝胶的制备与特性研究    任洪波

原子分子在δ-Pu上的吸附、离解与扩散过程研究    魏洪源

亲水性聚合物在基因载体、表面蛋白固定及蛋白结晶方面的应用    要旸

塑料包装材料中迁移物扩散系数的分子动力学研究    王平利

环保型高强高韧端氨基聚醚—环氧树脂的研究    赵立英

窄带隙共轭聚合物的制备与光伏性能研究    邓丹

有机基太阳能电池中有序结构材料及其界面和性能    杨志胜

可降解PLA-PBT共聚酯的合成与改性    王炳涛

聚电解质络合物的可加工性及其功能材料的构建基础    赵强

浆膜动态性能研究及其在蒙脱土掺杂浆料改性效果评价中的应用    张志奋

竹基复合材料的制备、表征及性能研究    黄媛媛

糯米淀粉分子结构及其物化性质的研究    莫紫梅

分子印迹聚合物、量子点及其复合微球的制备    杨卫海

硬质聚氨酯泡沫阻尼材料的结构与性能研究    顾远

红壤土壤腐蚀直接、连续监测技术的研究    李新义

航空用新型RTV-2有机硅胶黏剂的研制    蒋颂波

杂环聚合物的合成与光电性能研究    陈鑫

纤维/颗粒—树脂基层合复合材料的吸声性能研究    石琢

锗单晶片的表面化学腐蚀研究    张亚萍

PMMA微球表面过渡金属氧化物壳层聚集体的研究    俞晓晶

酸处理对多壁纳米碳管形态的影响    李艳亮,程斌,沈曾民

MWCNTs/E51复合涂层的耐磨性能研究    王振家,高岩,马全友,王璐科

共轭导电聚合物及其在传感器中的应用    童基均,陈裕泉

LB膜气体传感器的发展概况    顾长志,孙良彦

石英晶体微天平研究进展与展望    关鲁雄,刘立华

分子模拟方法及在高聚物中的应用    陈正国,朱申敏,程时远

有机-无机纳米复合材料的合成、性质及应用前景    邵鑫,田军,薛群基,马春林

聚酰亚胺/无机物纳米复合材料的研究进展    洪奕,王立新,张楷亮

聚合物基有机-无机纳米复合材料研究及应用前景    任杰,刘艳,唐小真

导电聚合物纳米复合乳胶微球材料研究进展    方鲲,李守平,崔陇兰,毛卫民,吴其晔

反胶束法合成聚苯胺—无机物复合纳米粒子    隋晓萌

耐电晕纳米杂化聚酰亚胺的合成及表征    储焱

无机纳米杂化聚酰亚胺薄膜的制备及性能研究    王坤