聚合物太阳能电池的电特性扫描探针显微技术

2013年 第58卷 第24期：2398 ~ 2410

评 述

《中国科学》杂志社

SCIENCE CHINA PRESS

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聚合物太阳能电池的电特性扫描探针显微技术

李灯华① , 李超①② , 杨延莲①*, 刘漫红①②*, 王琛①*

① 国家纳米科学中心, 北京 100190;

② 青岛科技大学材料科学与工程学院, 青岛 266042 同等贡献

* 联系人, E-mail: yangyl@http://www.77cn.com.cn; liumanhong68@http://www.77cn.com.cn; wangch@http://www.77cn.com.cn 2012-11-20收稿, 2013-01-23接受, 2013-05-10网络版发表

国家自然科学基金(20973043, 21077062)、科技部中英合作项目(2010DFA64680)和山东省自然科学基金(ZR2012FZ007)资助

摘要 聚合物太阳能电池(polymer solar cells, PSC)因其柔性、易加工性等特点成为目前新能源领域研究的热点之一. 扫描探针显微技术(scanning probe microscopy, SPM)在高分辨形貌表征和电特性表征方面具有独特优势, 近年来在PSC研究领域的应用逐渐受到广泛关注. 本文综述了近年来利用SPM技术在纳米尺度研究PSC活化层的形貌、相分离、电荷分离、电势分布等的新进展, 分别介绍静电力显微技术(electric force microscopy, EFM)、导电原子力显微技术(conductive atomic force microscopy, C-AFM)、开尔文探针力显微技术(Kelvin probe force microscopy, KPFM)等在PSC活化层的结构和局域电学特性表征中的应用, 并对电特性扫描探针显微技术(electric SPM, ESPM)在PSC及其他具有光电特性的薄膜、器件等研究领域的应用前景进行了展望.

关键词

聚合物太阳能电池 有机太阳能电池 静电力显微技术 导电原子力显微技术 开尔文探针力 显微技术

随着化石能源(石油、煤、天然气等)的逐渐枯竭, 寻找能替代化石能源的绿色可再生能源是全球研究的热点之一. 近年来, 对太阳能的开发和利用的研究尤为迅速. 光伏太阳能电池指的是利用光生伏特效应将太阳能直接转化为电能的装置[1]. 有机光伏太阳能电池(organic photovoltaic, OPV), 尤其是聚合物太阳能电池(polymer solar cell, PSC)因其廉价、轻质、柔性、易加工、可大面积制备等优点, 引起越来越多的研究者的关注[2,3].

1992年, Sariciftci等人[4]发现了光致电荷从作为电子给体(donor, D)的聚合物到作为电子受体(acceptor, A)的富勒烯衍生物的快速转移过程, 并在1995年[3]报道了基于本体异质结(bulk heterojunction, BHJ)的光伏电池, 之后聚合物太阳能电池领域得到了迅速的发展. 所谓的本体异质结指的是在共混薄膜中, 电子给体与受体形成多接触点的互穿网络结

构, 每一个D/A接触点都是一个异质结, 整个薄膜即为本体异质结结构. BHJ薄膜一般是将电子给体与电子受体共溶于有机溶剂中, 然后通过旋转涂覆的方法制备成D相与A相互相渗透并各自形成互穿网络状双连续相的薄膜[4], 此薄膜即为聚合物太阳能电池的活化层(图1(a)). 近年来科学界和工业界大多致力于新的电子给体、电子受体材料的设计合成, 活性层成膜条件的优化, 以及器件制备工艺的优化等方面[5~13]. 目前, 基于聚合物-富勒烯衍生物BHJ结构的聚合物太阳能电池研究最为集中, 并且已经得到了高达8.37%的最高光电转换效率(photo conversion efficiency, PCE)[14].

聚合物太阳能电池的光电分离过程和无机太阳能电池有所不同, 聚合物吸收光子不会直接产生自由电荷, 而是产生因库仑相互作用而在空间上束缚在一起的电子空穴对, 即为激子(exciton). 激子一般

引用格式: 李灯华, 李超, 杨延莲, 等. 聚合物太阳能电池的电特性扫描探针显微技术. 科学通报, 2013, 58: 2398–2410

Li D H, Li C, Yang Y L, et al. Nanoscale structure and electrical properties of polymer solar cells studied by electric scanning probe microscopy. (in Chinese). Chin Sci Bull (Chin Ver), 2013, 58: 2398–2410, doi: 10.1360/972012-1657

图1 聚合物太阳能电池结构示意图(a)及扫描探针显微镜

基本扫描示意图(b)

(a)中最下层为导电铟锡金属氧化物(ITO)覆盖的玻璃, 旋转涂覆一层聚(3,4-亚乙二氧基噻吩):聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)薄膜为空穴传输层, 活化层通常由电子给体和电子受体的混合物旋涂在PEDOT:PSS层上, 并形成相分离. 最上层金属电极一般为铝等低功函数电极, 做扫描探针实验时一般不蒸镀上层金属电极, 当器件受光激发时, 活化层电子给体材料吸收光子产生激子并在给体受体界面处电荷分离. 分离后的自由电子和空穴通过传输网络到

达对应的电极

在电子给体和受体材料的异质结界面处解离成电子和空穴. 在经典的两相异质结体系中, 激子分离后, 电子流向电子受体材料(通常为富勒烯衍生物), 空穴流向电子给体材料(通常为共轭聚合物), 并通过A相和D相所形成的网络传输到相应电极, 才能产生光生电势. 聚合物太阳能电池中电荷分离和传输的各个环节都会影响电池的光电转化效率. 共轭聚合物的激子扩散长度只有10 nm左右, 然而有机材料的光吸收长度约为100 nm左右, 如果D, A两相的尺度远远大于10 nm, 则在相界面解离的电子和空穴就会在扩散过程中重新复合(recombination), 造成电荷分离效率的下降. 为了同时满足良好的光谱吸收和高效的激子分离条件, 本体异质结的两相必须在激子扩散长度的尺寸进行混合. 另外D, A两相形成的网络的连续性以及D, A两相的畴区大小都会影响到载流子的迁移率, 即载流子在D, A两相中的 …… 此处隐藏：27918字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……