陽(yáng)極緩沖層修飾對(duì)聚合物太陽(yáng)能電池性能的影響

李 熊， 徐登輝， 趙 佳， 耿愛(ài)叢， 鄧振波

(1. 北京工商大學(xué) 物理系， 北京 100048；2. 北京交通大學(xué) 光電子技術(shù)研究所， 發(fā)光與光信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100044)

?

陽(yáng)極緩沖層修飾對(duì)聚合物太陽(yáng)能電池性能的影響

李 熊1， 徐登輝1， 趙 佳1， 耿愛(ài)叢1， 鄧振波2*

(1. 北京工商大學(xué) 物理系， 北京 100048；
2. 北京交通大學(xué) 光電子技術(shù)研究所， 發(fā)光與光信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100044)

為提高聚合物太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，將聚乙二醇(PEG)摻入PEDOT∶PSS陽(yáng)極緩沖層，研究了陽(yáng)極緩沖層修飾對(duì)聚合物太陽(yáng)能電池性能的影響。首先研究了聚乙二醇對(duì)PEDOT∶PSS薄膜電導(dǎo)率的影響，發(fā)現(xiàn)PEG會(huì)與PEDOT和PSS相互作用，使得PEDOT鏈重新排布，有利于電荷載流子的傳輸，從而顯著改善了PEDOT∶PSS薄膜的電導(dǎo)率，當(dāng)PEDOT∶PSS中摻入體積分?jǐn)?shù)為2%～4%的PEG時(shí)，可得到較大的電導(dǎo)率。然后，以PEG修飾的PEDOT∶PSS薄膜作為陽(yáng)極緩沖層制備了聚合物太陽(yáng)能電池，研究了PEG的摻入對(duì)聚合物太陽(yáng)能電池性能的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，PEG改善的PEDOT∶PSS電導(dǎo)率有利于提高電池的短路電流密度和填充因子,從而改善了器件光伏性能。當(dāng)PEDOT∶PSS中摻入體積分?jǐn)?shù)為2%的PEG時(shí)，聚合物太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率最高，比未摻雜的器件提高了24.4%。

聚合物太陽(yáng)能電池； 陽(yáng)極緩沖層； PEDOT∶PSS； 電導(dǎo)率

1 引 言

有機(jī)薄膜型太陽(yáng)能電池以其材料來(lái)源廣泛、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、制備工藝簡(jiǎn)單、器件可撓曲等特點(diǎn)，受到人們的廣泛關(guān)注。在有機(jī)光伏材料中，共軛高分子導(dǎo)電聚合物由于具有良好的導(dǎo)電性、優(yōu)良的柔韌性和可加工性，可以通過(guò)噴涂、刮板印刷等工業(yè)化方法大面積制膜，能大大降低光伏器件的制造成本，顯示出很大的發(fā)展?jié)摿1-2]。經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，聚合物太陽(yáng)能電池的效率已經(jīng)有了顯著的提高，但還遠(yuǎn)不能與成熟的無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池相比。制約效率提高的重要因素是有機(jī)半導(dǎo)體材料的光譜響應(yīng)范圍與太陽(yáng)光譜不匹配、激子擴(kuò)散長(zhǎng)度短、載流子遷移率低以及電極對(duì)電荷的收集效率低等。針對(duì)這些問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)窄帶隙、高載流子遷移率的聚合物光電材料[3-5]，采用諸如疊層[6]、三相體異質(zhì)結(jié)[7]等器件結(jié)構(gòu)，利用金屬納米顆粒的表面等離激元效應(yīng)[8-9]等新技術(shù)，對(duì)電極進(jìn)行界面修飾[10-12]等方法都可以改善器件的性能，目前報(bào)道的聚合物太陽(yáng)能電池最高效率已經(jīng)達(dá)到了10.6%[13]，向聚合物太陽(yáng)能電池的商業(yè)應(yīng)用邁出了重要的一步。

導(dǎo)電聚合物PEDOT∶PSS因其功函數(shù)高、成膜性好、在可見(jiàn)光范圍內(nèi)透光率高、適于制備大面積可彎曲的柔性器件等特點(diǎn)，是有機(jī)光電器件研究中最為常用的陽(yáng)極修飾層材料，但PEDOT∶PSS薄膜較低的電導(dǎo)率在一定程度上限制了電池性能的提高[14]，通過(guò)對(duì)PEDOT∶PSS摻雜改性，如摻雜二甲基亞砜[14]、甘露醇[15]、甲酸胺[16]、乙二醇[17]等可以改善PEDOT∶PSS薄膜的電導(dǎo)率，提高空穴的輸運(yùn)效率，是提高聚合物太陽(yáng)能電池效率的有效手段。

本文通過(guò)將聚乙二醇摻入PEDOT∶PSS薄膜，研究了PEG摻雜對(duì)PEDOT∶PSS薄膜電導(dǎo)率的影響，分析了PEG改善PEDOT∶PSS薄膜電導(dǎo)率的機(jī)制，并以PEG修飾的PEDOT∶PSS薄膜作為陽(yáng)極緩沖層制備了聚合物太陽(yáng)能電池，研究了PEG的摻入對(duì)聚合物太陽(yáng)能電池性能的影響。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料包括聚合物給體材料聚3-己基噻吩(P3HT)、受體材料(6,6)-苯基C60丁酸甲酯(PC61BM)、水溶性的PEDOT∶PSS、聚乙二醇、電極材料鋁(Al)以及二氯苯(1,2-dichlorobenzene，DCB)溶劑等。P3HT購(gòu)買于Rieke Metals公司，分子量為68 000 g/mol，分子規(guī)整度>98.5%。PC61BM購(gòu)買于Nano-C Inc.，純度>98.5%。PEDOT∶PSS(Clevios P VPA14083)購(gòu)買自H.C. Starck公司，以1.3%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶解在水中形成導(dǎo)電水溶液。聚乙二醇(分子量200)和二氯苯購(gòu)買自Sigma-Aldrich公司。用于蒸鍍電極的高純度鋁絲購(gòu)買于中諾新材公司，純度>99.999%。實(shí)驗(yàn)研究中用到的其他材料購(gòu)于北京化學(xué)試劑廠等。

2.2 器件制備與測(cè)試

制備的聚合物太陽(yáng)能電池器件結(jié)構(gòu)為ITO/PEDOT∶PSS∶PEG(x%)/P3HT∶PCBM/Al，如圖1所示，其中x%為PEG在PEDOT∶PSS溶液中的體積分?jǐn)?shù)。在本實(shí)驗(yàn)中，將PEG 以不同的體積分?jǐn)?shù)摻入PEDOT∶PSS溶液，以制備PEDOT∶PSS∶PEG(x%)混合溶液?；钚詫尤軇┯蒔3HT和PCBM以 17 mg/mL∶17 mg/mL的質(zhì)量濃度比溶于二氯苯制成。PEDOT∶PSS∶PEG陽(yáng)極緩沖層和P3HT∶PCBM活性層均通過(guò)旋涂制膜。

圖1 聚合物太陽(yáng)能電池的器件結(jié)構(gòu)圖

將PEDOT∶PSS∶PEG (x%)水溶液旋涂在清洗干凈的ITO玻璃基片上，勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，旋涂時(shí)間為50 s，得到厚度約為40 nm的薄膜。然后，將薄膜置于150 ℃的熱臺(tái)上干燥30 min。將P3HT∶PCBM 混合溶液旋涂在PEDOT∶PSS∶PEG膜上方，勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速為800 r/min，旋涂時(shí)間為25 s。然后，將未干燥的片子靜置在培養(yǎng)皿中1 h左右進(jìn)行溶劑退火，待薄膜完全變成紫紅色后即制得活性層薄膜，活性層薄膜的厚度約為180 nm。將制備的薄膜轉(zhuǎn)移至真空鍍膜腔中蒸鍍Al電極，腔內(nèi)的真空度保持在5×10-4Pa左右，蒸鍍速率和膜厚由石英晶振實(shí)時(shí)監(jiān)控，以保證蒸鍍薄膜的均勻性。鍍膜完成后，將制得的器件在110 ℃的溫度下退火10 min。

PEDOT∶PSS∶PEG薄膜和活性層的厚度由Ambios XP-2型臺(tái)階儀測(cè)定。器件的電流密度-電壓(Current density-voltage,J-V)特性曲線由Keithley 2410 數(shù)字源表測(cè)得，其中San-Ei Electric公司的XEC-301S型模擬太陽(yáng)光源(Solar Simulator)提供光強(qiáng)為100 mW/cm2的AM 1.5標(biāo)準(zhǔn)光源。紫外-可見(jiàn)吸收光譜使用Shimadzu公司的UV-3101PC雙光束分光光度計(jì)測(cè)量。

3 結(jié)果與討論

3.1 PEG摻雜對(duì)PEDOT∶PSS薄膜電導(dǎo)率的影響

首先在干燥后的ITO/PEDOT∶PSS∶PEG(x%)薄膜上直接鍍鋁電極，測(cè)量ITO/PEDOT∶PSS∶PEG(x%)/Al器件的電流密度-電壓特性曲線，并根據(jù)電流密度-電壓特性曲線計(jì)算出PEDOT∶PSS∶PEG(x%)薄膜的相對(duì)電導(dǎo)率，結(jié)果如圖2所示，x=0，1，2，4，6，8，10，20。從圖2可以看出，PEG對(duì)PEDOT∶PSS薄膜的相對(duì)電導(dǎo)率有重要的影響, 微量的摻雜即可大幅提高PEDOT∶PSS薄膜的電導(dǎo)率。當(dāng)PEG摻雜體積分?jǐn)?shù)為2%～4%時(shí)，PEDOT∶PSS薄膜的電導(dǎo)率達(dá)到最大值，然后隨著PEG摻雜比例的增大又逐漸減小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[17-18]報(bào)道的實(shí)驗(yàn)規(guī)律一致。

圖2 PEDOT∶PSS層中摻入不同體積分?jǐn)?shù)PEG時(shí)的相對(duì)電導(dǎo)率

Fig.2 Relative conductivity of PEDOT∶PSS films with different volume fraction of PEG

PEDOT∶PSS是由聚合物PEDOT和PSS以庫(kù)侖力結(jié)合在一起的，由于PSS鏈間的排斥作用，使得PEDOT∶PSS具有螺旋狀結(jié)構(gòu)[19]。PEG會(huì)屏蔽PEDOT與PSS之間的相互作用，使得PEDOT和PSS 形成更好的相分離。PEDOT鏈的重新取向使得PEDOT的鏈之間有了更好的相互作用，減弱了電荷在PEDOT鏈間跳躍的能級(jí)勢(shì)壘，有利于電荷載流子在PEDOT鏈間的轉(zhuǎn)移[17,20]，因此適量的PEG摻雜能夠顯著提高PEDOT∶PSS的電導(dǎo)率。但PEG本身是絕緣體，過(guò)量的PEG反而會(huì)阻礙電荷載流子的遷移，導(dǎo)致PEDOT∶PSS電導(dǎo)率隨著PEG摻雜濃度的增大反而減小。

為了研究PEG摻雜對(duì)PEDOT∶PSS薄膜的形貌的影響，在ITO玻璃基底上分別用PEDOT∶PSS水溶液、體積分?jǐn)?shù)為8%的PEG丙酮溶液和PEG體積分?jǐn)?shù)分別為0.5%和2%的PEDOT∶PSS∶PEG溶液制膜，圖3為所述薄膜的偏光顯微鏡圖。其中圖3(a)為PEDOT∶PSS水溶液制成薄膜的顯微鏡圖，由圖3(a)可以看出，PEDOT∶PSS薄膜成膜性好，表面平整，無(wú)團(tuán)聚現(xiàn)象；圖3(b)是將PEG溶于丙酮制得薄膜的顯微鏡圖，可以看到在圖上有直徑為50～70 μm的PEG團(tuán)簇；圖3(c)和(d)分別為將體積分?jǐn)?shù)為0.5%和2% 的PEG溶于PEDOT∶PSS水溶液后制得的薄膜，可以看到圖中都有圖3(b)所示的PEG團(tuán)簇，同時(shí)還可以看到PEG與PEG之間的“鏈狀”結(jié)構(gòu)，并且PEG的摻雜濃度越大，PEG團(tuán)簇之間的鏈狀結(jié)構(gòu)越明顯。這說(shuō)明PEG與PEDOT∶PSS之間相互作用，改變了薄膜的表面形貌，使PEDOT鏈有了重新排布，這與文獻(xiàn)[17,20]報(bào)道的PEG會(huì)與PEDOT和PSS相互作用、促使PEDOT鏈重新排布的結(jié)論是一致的。

圖3 PEDOT∶PSS(a)、PEG(b)、PEDOT∶PSS∶0.5%PEG(c)和PEDOT∶PSS∶2%PEG(d)薄膜的光學(xué)顯微鏡圖。

Fig.3 Optical microscopy images of pristine PEDOT∶PSS(a), PEG(b), PEDOT∶PSS∶0.5%PEG(c)，and PEDOT∶PSS∶2%PEG(d) film, respectively.

3.2 器件的光電性能

圖4為在ITO/PEDOT∶PSS(With and without PEG)的基底上旋涂P3HT∶PCBM活性層后測(cè)得的紫外-可見(jiàn)吸收譜。可以看出，吸收譜沒(méi)有明顯的區(qū)別。分子量為200的PEG是透明的液體，少量的PEG摻雜不會(huì)明顯影響到PEDOT∶PSS的透光率；在所有器件中，活性層的成分和膜厚都是一樣的，相同的活性層不會(huì)引起吸收光譜的差異，因此PEG摻雜沒(méi)有明顯影響到活性層對(duì)光的吸收。

圖4 ITO/PEDOT∶PSS(with and without PEG)/P3HT∶ PCBM薄膜的吸收譜

Fig.4 Absorption spectra of ITO/PEDOT∶PSS(with and without PEG)/P3HT∶PCBM films

我們測(cè)試了以PEG修飾的PEDOT∶PSS為陽(yáng)極緩沖層制備的聚合物太陽(yáng)能電池器件的J-V特性曲線，如圖5所示。為了對(duì)比，將PEDOT∶PSS緩沖層中未摻雜PEG的器件作為參考器件(標(biāo)記為PEG 0%)，其數(shù)據(jù)也顯示在圖5中。表1列出了根據(jù)J-V曲線計(jì)算得到的關(guān)于聚合物太陽(yáng)能電池的具體性能參數(shù)，包括短路電流密度(Short-circuit current density,JSC)、開(kāi)路電壓(Open-circuit voltage,VOC)、填充因子(Fill factor,FF)、能量轉(zhuǎn)換效率(Power conversion efficiency,PCE)。

圖5 PEDOT∶PSS層摻雜不同比例PEG制備的聚合物太陽(yáng)能電池在100 mW/cm2的AM 1.5標(biāo)準(zhǔn)模擬太陽(yáng)光照射下的電流密度-電壓特性曲線

Fig.5J-Vcurves of polymer solar cells with different volume fraction of PEG doped into PEDOT∶PSS layer under simulated solar AM 1.5 illumination at 100 mW/cm2

表1 ITO/PEDOT∶PSS∶PEG(x%)/P3HT∶PCBM/Al器件的性能參數(shù)

Tab.1 Detailed performance parameters of the polymer solar cells with different volume fraction of PEG doped into PEDOT∶PSS layer

VolumefractionofPEGJSC/(mA·cm-2)VOC/VFFPCE/%0%7.490.550.542.221%7.750.550.582.462%8.540.540.602.774%8.250.540.572.516%6.910.530.501.82

由表1可以看出，PEG摻入PEDOT∶PSS陽(yáng)極緩沖層對(duì)器件的短路電流密度有重要影響。未摻雜器件的短路電流密度為7.49 mA/cm2，隨著PEG的摻入，JSC逐漸增大，在PEG摻雜體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，JSC達(dá)到最大值，為8.54 mA/cm2；但隨著PEG摻雜比例的繼續(xù)增大，JSC逐漸減小，在摻雜體積分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，JSC減小到6.91 mA/cm2。所制備的器件結(jié)構(gòu)都是相同的，唯一不同的就是PEDOT∶PSS層中摻雜PEG的比例，摻入合適比例的PEG可以大大提高PEDOT∶PSS陽(yáng)極緩沖層的電導(dǎo)率，而大的電導(dǎo)率有利于提高電極對(duì)空穴的收集效率，增大短路電流密度[21-22]?？梢?jiàn)，摻雜PEG器件短路電流密度增大的一個(gè)主要原因是PEG大大改善了PEDOT∶PSS層的電導(dǎo)率。

器件的開(kāi)路電壓在PEG摻入比例較小時(shí)，基本保持不變，但隨著PEG摻雜比例的增大有逐漸減小的趨勢(shì)。在PEDOT∶PSS修飾的聚合物光伏器件中，ITO陽(yáng)極通過(guò)PEDOT∶PSS陽(yáng)極緩沖層與P3HT∶PCBM活性層已經(jīng)有了良好的歐姆接觸，因此少量的PEG摻雜雖然可以提高PEDOT∶PSS薄膜的電導(dǎo)率，但對(duì)于改善陽(yáng)極/活性層的接觸界面影響不大，因此VOC基本保持不變。但當(dāng)PEG摻雜濃度過(guò)大時(shí)，絕緣的PEG會(huì)形成電荷傳輸?shù)膭?shì)壘，破壞陽(yáng)極和活性層的歐姆接觸，反而導(dǎo)致開(kāi)路電壓下降。

器件的填充因子與短路電流密度有相似的變化趨勢(shì)。未摻雜PEG時(shí)，器件的填充因子為54%。填充因子隨著PEG的摻入而逐漸增大，在PEG摻雜體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)達(dá)到最大值，為60%；但隨著PEG摻雜比例的繼續(xù)增大，填充因子又逐漸減小。PEDOT∶PSS陽(yáng)極緩沖層中摻入適當(dāng)比例的PEG，提高了PEDOT∶PSS的電導(dǎo)率，改善了空穴在陽(yáng)極緩沖層的傳輸，有利于減小活性層與界面的接觸電阻，并遏制漏電流，增大并聯(lián)電阻，因此填充因子會(huì)增大。但當(dāng)PEG摻雜比例過(guò)大時(shí)，過(guò)量的不導(dǎo)電PEG阻礙了空穴在陽(yáng)極緩沖層的正常傳輸，增大了界面電阻，同時(shí)使漏電流增大，即減小并聯(lián)電阻，從而使填充因子減小。

開(kāi)路電壓、短路電流和填充因子共同決定了光伏器件的能量轉(zhuǎn)換效率。由于PEDOT∶PSS中摻入PEG對(duì)器件的開(kāi)路電壓影響不大，因此器件的能量轉(zhuǎn)換效率主要受到短路電流密度和填充因子的影響。在PEG摻雜體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，器件的短路電流密度和填充因子都達(dá)到了最大值，此時(shí)器件的能量轉(zhuǎn)換效率最高，為2.77%，比未摻雜PEG的器件提高了24.4%。

4 結(jié) 論

首先研究了聚乙二醇對(duì)PEDOT∶PSS薄膜電導(dǎo)率的影響，發(fā)現(xiàn)PEDOT∶PSS中摻入微量的PEG即可大大提高其電導(dǎo)率。 當(dāng)PEDOT∶PSS中摻入體積分?jǐn)?shù)為2%～4%的PEG時(shí)，電導(dǎo)率達(dá)到最大值。PEDOT∶PSS薄膜電導(dǎo)率的提高有利于電極對(duì)電荷的收集，改善器件的光伏性能。把不同體積分?jǐn)?shù)的PEG摻入PEDOT∶PSS溶劑中，以摻雜后的PEDOT∶PSS∶PEG(x%)為陽(yáng)極緩沖層制備了聚合物太陽(yáng)能電池，發(fā)現(xiàn)PEG的摻雜比例對(duì)光伏器件的性能參數(shù)，尤其是對(duì)短路電流密度和填充因子有重要的影響，進(jìn)而影響著器件的能量轉(zhuǎn)換效率。在PEG摻雜體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，器件的能量轉(zhuǎn)換效率最高，比未摻雜的參考器件提高了24.4%。

[1] SCHARBER M C, SARICIFTCI N S. Efficiency of bulk-heterojunction organic solar cells [J].Prog.Polym.Sci., 2013, 38(12):1929-1940.

[2] HE Z C, WU H B, CAO Y. Recent advances in polymer solar cells: realization of high device performance by incorporating water/alcohol-soluble conjugated polymers as electrode buffer layer [J].Adv.Mater., 2014, 26(7):1006-1024.

[3] BLOUIN N, MICHAUD A, LECLERCM. A low-bandgap poly (2, 7-Carbazole) derivative for use in high-performance solar cells [J].Adv.Mater., 2007, 19(17):2295-2300.

[4] HUO L J, ZHANG S Q, GUO X,etal.. Replacing alkoxy groups with alkylthienyl groups: a feasible approach to improve the properties of photovoltaic polymers [J].Angew.Chem.Int.Ed., 2011, 50(41):9697-9702.

[5] LU L Y, YU L P. Understanding low bandgap polymer PTB7 and optimizing polymer solar cells based on it [J].Adv.Mater., 2014, 26(26):4413-4430.

[6] KIM J Y, LEE K, COATES N E,etal.. Efficient tandem polymer solar cells fabricated by all-solution processing [J].Science, 2007, 317(5835):222-225.

[7] AMERI T, KHORAM P, MIN J,etal.. Organic ternary solar cells: a review [J].Adv.Mater., 2013, 25(31):4245-4266.

[8] MORFA A J, ROWLEN K L, REILLYT H,etal.. Plasmon-enhanced solar energy conversion in organic bulk heterojunction photovoltaics [J].Appl.Phys.Lett., 2008, 92(1):013504-1-3.

[9] FUNG D D S, QIAO L F, CHOY W C H,etal.. Optical and electrical properties of efficiency enhanced polymer solar cells with Au nanoparticles in a PEDOT-PSS layer [J].J.Mater.Chem., 2011, 21(41):16349-16356.

[10] STEIM R, CHOULIS S A, SCHILINSKY P,etal.. Interface modification for highly efficient organic photovoltaics [J].Appl.Phys.Lett., 2008, 92(9):093303-1-3.

[11] 印壽根,楊利營(yíng),許新蕊,等. 利用陰極修飾層提高有機(jī)光伏電池的性能及穩(wěn)定性 [J]. 發(fā)光學(xué)報(bào), 2012, 33(3): 233-237. YIN S G, YANG L Y, XU X R,etal.. Enhancement of the performance and stability of polymer photovoltaic cells by cathode buffer layer [J].Chin.J.Lumin., 2012, 33(3):233-237. (in Chinese)

[12] ZACHER B, GANTZ J L, RICHARDSR E,etal.. Organic solar cells-at the interface [J].J.Phys.Chem.Lett., 2013, 4(11):1949-1952.

[13] YOU J, DOU L, YOSHIMURA K,etal.. A polymer tandem solar cell with 10.6% power conversion efficiency [J].Nat.Commun., 2013, 4:1446.

[14] KIM J Y, JUNG J H, LEE D E,etal.. Enhancement of electrical conductivity of poly (3, 4-ethylenedioxythiophene)/ poly (4-styrenesulfonate) by a change of solvents [J].Synth.Met., 2002, 123(2-3):311-316.

[15] KO C J, LIN Y K, CHENF C,etal.. Modified buffer layers for polymer photovoltaic devices [J].Appl.Phys.Lett., 2007, 90(6):063509-1-3.

[16] TSAI T, CHANG H C, CHEN C H,etal.. Widely variable seebeck coefficient and enhanced thermoelectric power of PEDOT∶PSS films by blending thermal decomposable ammonium formate [J].Org.Electron., 2011, 12(12):2159-2164.

[17] MENGISTIE D A, WANG P C, CHU C W. Effect of molecular weight of additives on the conductivity of PEDOT∶PSS and efficiency for ITO-free organic solar cells [J].J.Mater.Chem. A, 2013, 1(34):9907-9915.

[18] 王鐵軍,齊英群,徐景坤,等. 聚乙二醇對(duì)PEDOT-PSS導(dǎo)電性能的影響 [J]. 科學(xué)通報(bào), 2003, 48(19):2036-2037.WANG T J, QI Y Q, XU J K,etal.. Effect of addition of poly-(ethylene glycol) on electrical conductivity of poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) hybrid [J].Chin.Sci.Bull., 2003, 48(19):2036-2037.

[19] LANG U, MüLLER E, NAUJOKS N,etal.. Microscopical investigations of PEDOT∶PSS thin films [J].Adv.Funct.Mater., 2009, 19(8):1215-1220.

[20] NA S I, WANG G, KIM S S,etal.. Evolution of nanomorphology and anisotropic conductivity in solvent-modified PEDOT∶PSS films for polymeric anodes of polymer solar cells [J].J.Mater.Chem., 2009, 19(47):9045-9053.

[21] HU Z Y, ZHANG J J, HAO Z H,etal.. Influence of doped PEDOT∶PSS on the performance of polymer solar cells [J].Sol.EnergyMater.Sol.Cells, 2011, 95(10):2763-2767.

[22] XIE F X, CHOY W C H, WANG C C D,etal.. Improving the efficiency of polymer solar cells by incorporating gold nanoparticles into all polymer layers [J].Appl.Phys.Lett., 2011, 99(15):153304-1-3.

Effect of Anode Buffer Layer Modification on The Performance of Polymer Solar cells

LI Xiong1, XU Deng-hui1, ZHAO Jia1, GENG Ai-cong1, DENG Zhen-bo2*

(1.DepartmentofPhysics,BeijingTechnologyandBusinessUniversity,Beijing100048,China;2.KeyLaboratoryofLuminescenceandOpticalInformation,MinistryofEducation,InstituteofOptoelectronicTechnology,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:zbdeng@bjtu.edu.cn

In order to improve the performance of polymer solar cells, polyethylene glycol (PEG) was incorporated into PEDOT∶PSS layer, and the effect of anode buffer layer modification on the performance of polymer solar cells was studied. First, the effect of PEG on the conductivity of PEDOT∶PSS films was studied, and the results show that PEG interacts with PEDOT and PSS, and reorients the PEDOT polymer chains, which improves the conductivity of PEDOT∶PSS layer significantly. PEDOT∶PSS layer with 2%-4%(volume fraction) PEG has the optimized conductivity. Then the bulk heterojunction polymer solar cells based on PEG modified PEDOT∶PSS anode buffer layer were prepared. It is found that PEG improves the short-circuit current density and fill factor obviously. The polymer solar cell with 2% PEG modified PEDOT∶PSS layer gives the maximum power conversion efficiency, as compared with the control device without PEG, 24.4% efficiency enhancement is achieved.

polymer solar cells; anode buffer layer; PEDOT∶PSS; conductivity

李熊(1982-)，男，河南鄧州人，博士，講師，2015年于北京交通大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事有機(jī)光電功能材料與器件的研究。

E-mail: lixiong@th.btbu.edu.cn

鄧振波(1959-)，男，黑龍江明水人，教授，博士生導(dǎo)師，1994 年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春物理所獲得博士學(xué)位，主要從事凝聚態(tài)物理、光電功能材料和器件方面的研究。

E-mail: zbdeng@bjtu.edu.cn

1000-7032(2016)03-0321-06

2015-12-03；

2015-12-18

國(guó)家自然科學(xué)基金(61274063)； 北京市屬高等學(xué)校高層次人才引進(jìn)與培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(CIT&TCD201404030)； 北京市教委科研計(jì)劃面上項(xiàng)目(KM201310011008,KM201510011002)資助

TM914.4

A

10.3788/fgxb20163703.0321