基于《共軛聚電解質(zhì)應(yīng)用于聚合物太陽能電池陰極界面層》的教學(xué)理論探討

史月琴 李紅霞

摘要：聚合物太陽能電池由于其質(zhì)輕、價(jià)廉和可大面積生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)而備受學(xué)術(shù)界關(guān)注?；钚詫硬牧稀⒒钚詫有蚊埠推骷Y(jié)構(gòu)的界面調(diào)控對于提高電池性能至關(guān)重要。主要對共軛聚電解質(zhì)做聚合物太陽能電池陰極界面層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和光電性能的探討，優(yōu)異的界面材料能夠改善活性層和電極的接觸界面能級，使得更利于電荷在陰極的提取和收集，最終提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。通過對共軛聚電解質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和光電性能的學(xué)習(xí)有利于更好地設(shè)計(jì)出更高效率的聚合物太陽能電池。

關(guān)鍵詞：聚合物太陽能電池；陰極界面；共軛聚電解質(zhì)；高效率

中圖分類號：G420 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）35-0169-02

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，能源需求逐年上升，能源進(jìn)口量也逐年增加。而我國能源以煤炭為主，由此帶來的能源安全和環(huán)境問題也日益突出。從能源安全、減少污染、改善生態(tài)環(huán)境和立足世界資源諸多方面考慮，開發(fā)利用安全、可靠、清潔的新能源和可再生能源——太陽能，已成為世界關(guān)注的熱點(diǎn)課題，也是我國長期發(fā)展的重要武器?；诠曹椌酆衔锏墓夥姵鼐哂泻蛡鹘y(tǒng)無機(jī)半導(dǎo)體太陽能電池相同的最高理論轉(zhuǎn)換效率，但是目前所開發(fā)的聚合物太陽能電池效率普遍還比較低，且性能還不穩(wěn)定。但是聚合物太陽能電池[1-3]卻具有重量輕，可用濕法成膜的廉價(jià)大面積制造技術(shù)以及良好的可塑性，更重要的是，通過分子設(shè)計(jì)和合成新型半導(dǎo)體聚合物或有機(jī)分子，可以容易地調(diào)控器件的性能，基于這些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，聚合物太陽能電池成為近年來最熱門的研究領(lǐng)域之一。[4-6]

在聚合物太陽能電池中光電效應(yīng)過程是在活性層中產(chǎn)生的，共軛聚合物吸收光子以后并不直接產(chǎn)生可自由移動(dòng)的電子和空穴，而產(chǎn)生具有正負(fù)偶極的激子（excition）。激子只有遷移到異質(zhì)結(jié)界面才能分離，形成自由載流子。分離后的自由電子在A相中進(jìn)行輸運(yùn)，自由空穴則在D相中（共軛聚合物鏈段）進(jìn)行輸運(yùn)，再經(jīng)具有不同功函數(shù)電極收集，這種傳遞的驅(qū)動(dòng)力來自陰極和陽極的電勢差，實(shí)現(xiàn)有機(jī)聚合物太陽能電池的發(fā)電。進(jìn)一步優(yōu)化太陽能電池器件性能的方法主要包括設(shè)計(jì)合成新型光活性層材料以及制備更加高效的器件結(jié)構(gòu)，而器件結(jié)構(gòu)中的界面調(diào)控對于提高太陽能電池器件的光電轉(zhuǎn)換效率及穩(wěn)定性至關(guān)重要。界面調(diào)控通常被用來提高電荷在相應(yīng)電極上的可選擇性收集，降低電荷在電極上收集的位壘。為了提高電荷在相應(yīng)電極上的可選擇性收集，降低電荷在電極上收集的位壘，空穴傳輸層的功函應(yīng)該要與活性層中電子給體的HOMO能級匹配，電子傳輸層的功函要與活性層中受體的LUMO能級匹配。置于陽極和活性層間空穴傳輸層以及陰極和活性層間的電子傳輸層的引入更能獲得高效率和穩(wěn)定的有機(jī)太陽能電池。這些空穴和電子傳輸層（界面層）具有如下的功能：（a）減少電荷收集的位壘；（b）選擇性地收集一種電荷載流子，阻礙相反電荷載流子；（c）提高電極與活性層間的界面穩(wěn)定性；（d）修飾界面性質(zhì)及改變活性層的形貌；（e）形成界面偶極有利于電池器件更好的能級匹配。因此，活性層與相應(yīng)電極間的界面修飾對電荷在相應(yīng)電極上的收集和器件性能至關(guān)重要。

為了電子的有效提取，陰極的界面材料最好是有一個(gè)較低的功函接觸，通過插入LiF或其他化合物（堿金屬或堿土金屬氧化物和鹵化物）在金屬鋁和活性層之間，能形成很好的歐姆接觸，降低了電子傳輸能壘，從而增大了電子的遷移率，提高了電池的效率。除此之外，由于金屬氧化物ZnO、TiO2等半導(dǎo)體具有便宜、可加工性能和無毒的優(yōu)點(diǎn)，常常被用于光伏器件的電子受體和電子傳輸層。近來共軛聚電解質(zhì)（CPEs）廣泛地應(yīng)用于聚合物太陽能電池器件的陰極界面層。

如圖所示，CPEs是由共軛的主鏈和帶離子功能團(tuán)側(cè)鏈組成的。共軛主鏈賦予其中性共軛聚合物的離域的電子結(jié)構(gòu)，離子側(cè)鏈?zhǔn)蛊淠軐?shí)現(xiàn)環(huán)境友好型溶劑的加工，例如，水和甲醇溶劑，因此，CPEs能實(shí)現(xiàn)多層電子器件的制備。同時(shí)，因?yàn)殡x子的存在是實(shí)現(xiàn)電子功能的關(guān)鍵，離子的移動(dòng)能夠重新分配器件內(nèi)部的電場，它還可以獲得一致的有機(jī)/金屬界面偶極層，有效地改善了電極的功函數(shù)，這使其廣泛應(yīng)用于有機(jī)電子器件，如有機(jī)太陽能電池、場效應(yīng)晶體管、有機(jī)發(fā)光二極管和熱電的應(yīng)用。

CPEs的光電性能受多個(gè)因素的影響。CPEs的共軛主鏈對其光電性能影響大，因?yàn)閮?yōu)異的吸光范圍和電子傳輸性能，聚芴型類主鏈共軛聚電解質(zhì)是常用的聚電解質(zhì)。含苝二酰亞胺、二酮吡咯并吡咯、苯并噻二唑和苯并噻三唑等缺電子雜環(huán)主鏈結(jié)構(gòu)單元的聚合物在有機(jī)電子設(shè)備中能提供n-型的電荷傳輸行為，且其強(qiáng)的電子親和力也被證明是高性能聚合物太陽能電池材料中最有前途的受體單元之一，此類缺電子結(jié)構(gòu)單元也被作為受體段用于D-A共軛聚合物中，這類共軛聚合物可用于高效率非富勒烯聚合物太陽能電池中。[7-8]理論上是理想的陰極界面修飾層，即電子傳輸層，但是該類含電子缺失共軛單元主鏈的共軛聚電解質(zhì)的合成較難。[9]相比之下，苯并噻二唑和苯并噻三唑等缺電子雜環(huán)主鏈結(jié)構(gòu)單元的共軛聚電解質(zhì)的合成可行性較為樂觀。以苯并噻二唑和苯并噻三唑主鏈結(jié)構(gòu)單元的共軛聚電解質(zhì)由于它們較強(qiáng)的電子親和力而備受關(guān)注，然而有文獻(xiàn)報(bào)道表明基于苯并噻二唑和苯并三唑共軛主鏈的聚合物的溶解性極差，且其分子量很低（一般<5000g/mol）。[10]另外，以苯并噻二唑和苯并噻三唑結(jié)構(gòu)單元主鏈的共軛聚電解質(zhì)的光電性能單從其分子結(jié)構(gòu)很難預(yù)測，因?yàn)樗€依賴于其溶液狀態(tài)的分子聚集態(tài)，即使溶液溶度很低，低至1mg/ml的聚合物太陽能電池界面層溶液，其聚集態(tài)變化有時(shí)也是復(fù)雜的。[9-10]CPEs離子側(cè)鏈的引入通過影響聚合物鏈內(nèi)堆積能影響單鏈的電子離域和分子間的有序排列。另外，溶液中的聚集態(tài)和固態(tài)的形貌皆影響材料的光電應(yīng)用。CPEs的光電性能主要依賴于溶液和固態(tài)的分子聚集態(tài)，單從分子結(jié)構(gòu)考慮還是欠缺的。

結(jié)語

近年來，聚合物太陽能電池備受關(guān)注，研究內(nèi)容主要是通過活性層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、活性層形貌調(diào)控和器件結(jié)構(gòu)的界面優(yōu)化等來提高聚合物太陽能電池性能。本文主要探討陰極界面層的共軛聚電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和光電性能與聚合物太陽能電池性能的關(guān)系。

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