电场对聚合物形态的控制

聚合物太阳能电池具是一种非常有潜力的太阳能电池，但是由于载流子迁移率比较低，目前效率比较低。为了提高聚合物太阳能效率，本项目提出了电场下制备C60衍生物掺杂聚合物薄膜，利用电场诱导相分离和聚合物分子极化对聚合物的形态进行控制，实现光生电子和空穴分别沿各自通道有效传输。研究工作包括：电场下聚合物和C60衍生物溶剂生长过程研究；电场下聚合物形态和溶剂极性、电场强度和C60衍生物侧链极性的关系；利用形貌表征技术，刻画出聚合物薄膜的3D结构；电场下制备的聚合物的光电特性和太阳能电池研究；结合溶剂处理控制聚合物和C60衍生物相的尺度和形状，制备出长条状C60衍生物相。同时将电场处理和丝网印刷技术相结合，得到一种廉价的聚合物太阳能制备技术。本项目的实施将对聚合物太阳能光电转换效率的提高具有重要意义。

本项目利用电场下制备C60 衍生物掺杂聚合物薄膜，利用电场诱导相分离和聚合物分子极化对聚合物的形态进行控制，实现光生电子和空穴分别沿各自通道有效传输。主要工作包括以下，在P3HT:PCBM光伏器件制备过程中引入垂直电场，器件性能得到了有效提高。研究表明，器件性能不仅受到功能层形貌的影响，而且受其载流子迁移率的影响，这是一个相互影响、相互牵制的过程。在电场下制备PEDOT:PSS层，可以有效提高薄膜表面PEDOT与PSS的比例，从而提高PEDOT:PSS的导电率；同时，PEDOT:PSS的表面形貌受到调制，表面粗糙度略有增大，有效改善了其与功能层的接触面，从而提高了空穴传输效率及阳极对空穴的收集效率。在电场下制备P3HT:PCBM层，可以有效提高P3HT的结晶度，从而提高其空穴迁移率，同时，PCBM在电场下发生聚集，增强相分离，为电子传输提供了通道；另外，功能层形貌受到电场调制，提高了表面粗糙度，有利于激子分离。电场强度不同，对器件的调制作用不同。随着电场强度的增大，电场对器件的调制作用增强，P3HT结晶度增强，空穴迁移率提高。当电场强度增大到一定值时，P3HT的有序性受到破坏，器件性能下降。电场极性不同，对P3HT分子链的作用力方向不同，从而对分子链排列产生影响。实验表明，反向电场使P3HT分子链在(100)方向间距增大，有序性降低，从而使空穴迁移率降低，器件短路电流减小。电场作用于P3HT和PCBM的同时，也作用于溶剂分子；极性较大的溶剂分子受电场影响较大。P3HT分子链排列不仅受到电场的作用，而且受到溶剂分子的影响，从而使电场对其的作用效果减弱。而溶剂的不同，同时影响着PCBM聚集程度，从而使器件性能受到影响。P3HT分子量不同，其分子链排列不同，结晶度不同。分子量较大的P3HT有序性较低，电场对其结晶度的作用受到无序P3HT分子链的影响。器件性能的改善主要来源于电场对薄膜形貌的调制，电场下制备聚合物光伏器件为人们控制体异质结的相分离提供了一个重要手段。