用于聚合物太阳能电池的PEDOT:PSS/表面活性剂双层膜透明电极制备及导电机制研究

ITO (Tin-doped indium oxide) is the most common but expensive electrode material used in polymer solar cells, the development of low-cost alternatives is one of the effective ways to reduce the cost of PSCs. Conductive polymer PEDOT:PSS has various excellent characteristics such as high transmittance in the visible range and easy to improve conductivity by doping, which make it can be used for preparing a low-cost transparent electrode for PSCs, but the conductive mechanism of PEDOT:PSS film after doping remains unclear. This project intends to use nanocomposite technology, by spin-coating different surfactants on the surface of PEDOT:PSS films (~100nm), PEDOT:PSS/surfactant bilayer films with different electrical conductivity will be prepared. We will use a variety of electron microscopy and spectroscopy characterization methods to study surface morphology and internal structure changes after surfactants modified, and further clarify the interaction mechanism between hydrophilic/hydrophobic groups and PEDOT:PSS. These results will not only help us to revealing conductivity mechanism of PEDOT:PSS film after surfactants modified , but establish an effective method to regulate the conductivity of PEDOT: PSS film. Our research project aims to develop a PEDOT:PSS/surfactant bilayer transparent electrode with excellent conductive properties and provide theoretical basis and technical possibilities for the development of low-cost PSCs.

ITO(掺锡氧化铟)是聚合物太阳能电池中最常见的电极材料但价格昂贵，开发廉价替代品是降低电池成本的有效途径。导电聚合物PEDOT:PSS具有在可见光范围内高透光率和易于通过掺杂等方式提高电导率的特点，可以制备用于聚合物太阳能电池的低成本透明电极，但其导电机制至今尚不清楚。本项目拟采用纳米复合技术，通过在PEDOT:PSS薄膜（～100nm）表面旋涂不同表面活性剂层，制备具有不同电导率的PEDOT:PSS/表面活性剂双层膜，运用多种电镜和光谱表征手段，研究表面活性剂修饰后薄膜表面形貌及内部结构变化，阐明亲水疏水基团与PEDOT:PSS的相互作用机制，揭示表面活性剂提高PEDOT:PSS薄膜电导率的机理，建立PEDOT:PSS薄膜电导率的有效调控方法。本项目研究旨在开发具有优良导电性能的PEDOT:PSS/表面活性剂双层膜透明电极，为发展低成本聚合物太阳能电池提供理论基础和技术可能性。

本项目旨在开发可替代ITO的透明电极，运用纳米复合技术，通过在PEDOT:PSS薄膜表面旋涂不同化合物，制备具有不同电导率的PEDOT:PSS双层膜，由于所选化合物会保留在PEDOT:PSS薄膜表面和内部，可以直接观测化合物与PEDOT:PSS相互作用及其对薄膜表面形貌和内部结构的影响，从而揭示其提高PEDOT:PSS薄膜电导率的理。本项目大致按照研究计划进行，通过有机化合物如甘油单硬脂酸酯（glycerol monostearate, GMS）、3-羟基丙磺酸3-hydroxypropanesulfonic acid , HPSA)、聚乙二醇（polyethylene glycol, PEG）、葡萄糖（dextrose）和无机化合物氟化锂（LiF）修饰PEDOT:PSS薄膜, 获得了不同种类PEDOT:PSS双层膜，并研究了不同化合物修饰后PEDOT:PSS薄膜的透光率、电导率、表面形貌和功函数等参数的变化。我们在实验过程中发现，项目中拟采用的4种表面活性剂，含酰胺基团的油酸酰胺和芥酸酰胺修饰PEDOT:PSS 薄膜所获得PEDOT:PSS双层膜电导率较低，不具备用作透明电极的条件；含羟基的3聚甘油单硬脂酸酯采购后发现为油状液体，未能形成PEDOT:PSS双层膜，而含羟基的甘油单硬脂酸酯修饰PEDOT:PSS薄膜所获得PEDOT:PSS/GMS双层膜电导率高达1019 S cm−1，方阻为98 Ω sq-1，可见光区的透光率大于80%。由此可见含羟基的化合物在提高PEDOT:PSS薄膜电导率方面具有更佳的效果，于是我们将研究集中于几种不同的含羟基化合物（上述甘油单硬脂酸酯、3-羟基丙磺酸、聚乙二醇、葡萄糖），并将所获得的不同种类PEDOT:PSS双层膜作为透明电极替代氧化铟锡（ITO）制备聚合物太阳能电池。另一方面，我们留意到不同化合物修饰后PEDOT:PSS薄膜具有不同的表面电势，因而将其应用拓展至阳极缓冲层领域并制备新型有机/金属钙钛矿太阳能电池。相关研究成果将为发展低成本聚合物太阳能电池和新型阳极缓冲层提供理论基础和技术可能性。