G陰極修飾提高聚合物太陽能電池的效率

摘要：聚合物太陽電池的陰極優化是用摻雜3%石墨烯的LiF來修飾結構為ITO/PEDOT：PSS/P3TH：PCBM/AL的基準電池的AL電極，寄予石墨烯的高導電性，我們制備的電池開路電壓達到0.57V，短路電流密度達到11.37mA/cm2，效率為3.45%，填充因子FF達到53.3%，比基準電池的各項參數都好，這為今后提高電池效率提供了一種方法。

關鍵詞：聚合物太陽電池 電極優化 交流阻抗譜 石墨烯

一、引言

聚合物太陽能電池必須滿足高轉化效率高和使用壽命長兩個條件才能滿足商業化應用的要求。最近幾年在聚合物太陽能電池發展的過程中，提高光電轉換效率的方法主要集中在材料及其表面形貌的研究，比如新材料的研發，溶劑的選擇，熱處理等[1-2]，或在活性層溶液中摻雜[3-4]來提高電池的性能。

太陽能電池的壽命衰減是由于載流子在活性層與陰極接觸的界面聚集引起的，所以選擇合適的陰極和陰極修飾材料是提高有機聚合物太陽電池性能的重要途徑。

金屬AL和半導體之間引進了一層超薄的LiF絕緣層構成了MIS（金屬-絕緣體-半導體）界面，改進了勢壘區的情況，超薄的LiF絕緣層修飾陰極可以使陰極與受體形成歐姆接觸利于電荷的收集，這可以影響載流子通過界面時的傳輸過程[5]。石墨烯具有良好導電性，它的電子傳輸速度能達到光速的1/300，我們綜合二者的優點，使其混合共同修飾陰極，提高電池的電流密度，改善電池的光電轉換效率。

二、實驗部分

此實驗制備三個聚合物太陽能電池，1號為基準電池的結構為ITO/PEDOT：Pss/P3HT：PCBM/AL，2號樣品是在基準電池的基礎上對AL電極進行修飾，修飾材料為LiF，3號修飾材料是摻雜3%石墨烯的LiF，三個電池用的襯底ITO的方塊電阻是～25Ω/□。實驗步驟如下：

（1）ITO玻璃的刻蝕及清洗：先把需要保留的ITO表面用膠條遮住，浸到鹽酸中腐蝕，將其取出用水沖洗后去掉膠條。然后，將ITO依次放入去離子水、丙酮、異丙醇、無水乙醇中分別超聲清洗20min。最后，烘干備用。

（2）PEDOT：PSS緩沖層的制備：旋涂薄膜條件為低速800rpm/s，時間為12s；高速2400rpm/s，時間為60s，旋涂成50納米左右薄膜。

（3）P3HT：PCBM光活性層的制備：配制P3HT：PCBM重量之比為5：4濃度為24mg/ml的有機溶液；其次旋涂成100納米左右的薄膜。將旋涂好P3HT：PCBM的ITO放置在有蓋的培養皿內，并退火處理。

（4）蒸鍍電極：將石墨烯和LiF配制比例為3%比例，經研磨后備用。真空3×10-3pa.分別對1號樣品直接蒸鍍AL電極；2號樣品先蒸0.7nm的LiF，然后蒸100納米厚的鋁電極，3號樣品先蒸鍍3%的摻雜石墨烯的LiF再蒸AL電極，然后放入真空干燥箱里150？C退火處理10min冷卻測試。

三、測量設備

我們采用太陽能電池測試系統對電池器件進行I-V特性測試。該測試系統由AM1.5的模擬太陽光源和計算機控制的電化學工作站系統組成。光照強度為100mv/cm2，所加的偏壓范圍為-0.2v～0.8v，在測試過程中，器件沒有任何封裝。阻抗是由RST5000電化學工作站測出。所有數據均在河南大學物理實驗室測得。

四、結果與討論

1、電池的I-V特性分析

I-V特性試在100mW/cm2的模擬太陽光照射下測試的，圖1是三個基于P3HT：PCBM的聚合物太陽能電池的I-V圖，

從圖中我們可以看到，1號單純用AL做電池的陰極，電池的I-V特性最差，效率只有1.44%，電流密度也最小只有7.69mA/cm2。用LiF修飾AL電極，利于AL電極與受體LUMO之間形成歐姆接觸，從而提高電荷的收集，增加開路電壓和電流密度。2號用LiF修飾過陰極的電池電流密度相對1號電池由7.69mA/cm增加到9.55mA/cm2。3號用摻雜3%石墨烯的LiF修飾的電池，I-V曲線最好，它的開路電壓為0.57V，比1、2號電池的都高；短路時的電流密度也最大，值為11.37mA/cm2，效率為3.45%，填充因子FF達到53.3%，整體的電池性能遠比前兩個的好。我認為這是基于石墨烯的高導電性和LiF薄絕緣層的共同作用的結果。

2、電池的交流阻抗譜分析

對于理想的聚合物電池來說，Rt與Rct主要決定電池在穩態下的輸出。由于測試系統沒有標準的太陽光模擬光源，以下交流阻抗數據都是在暗態條件下測得的。在交流阻抗譜中，聚合物天陽能電池的阻抗譜是一個半圓，它對應于電子的傳輸過程。在實際的研究中Rct和Rt隨外加偏壓的變化而變化，所以通過加不同偏壓來推導Rct和Rt隨外加偏壓的變化規律來研究聚合物電池中電子傳輸的性質。圖2是摻雜3%石墨烯的LiF修飾AL電極的電池在不同外加偏壓下的交流阻抗譜：

從圖中可以看出聚合物電池的交流阻抗圖譜在外加不同偏壓時隨著偏壓的增大，半圓越小；在0V-0.3V之間變化比較緩慢，當偏壓加到0.4V時，半圓突然變化很大，這對于只改變修飾AL電極層的實驗條件下，說明摻雜石墨烯的LiF與AL電極之間的電阻值隨偏壓的增大而減小。圖3是Zview軟件擬合的聚合物等效電路圖，通過EIS測試擬合還可以直接讀取等效電路的各元件的參數值，由表2顯示；

五、小結

我們用LiF和摻雜3%石墨烯的LiF來修飾結構為ITO/PEDOT：PSS/P3TH：PCBM/AL的基準電池的AL電極，通過I-V特性分析摻雜3%石墨烯的LiF修飾的有機太陽電池的I-V曲線最好，它的開路電壓為0.57V，比其他兩個電池的都高；短路電流密度也是最大，值為11.37mA/cm2，效率為3.45%，填充因子FF達到53.3%，石墨烯的高導電性和LiF薄絕緣層的共同作用可以得到比較好的光電特性。

此實驗的不足是沒有對各個電池器件在光照時進行測試交流阻抗譜，和在光照條件下測試不同偏壓對交流阻抗的影響，這些都有待我以后繼續研究。

參考文獻：

[1]S.H.Park，A. Roy，S. Beaupr，et al. Bulk heterojunction solar cells with internal quantum efficiency approaching100%[J].NaturePhotonics，2009，3：297-3 02.

[2] W.Ma，C.Yang，X.Gong，et al.Thermally stable，efficient polymer solar cells with nanoscale control of the interpenetrating network morphology[J]. Adv FuncMater，2005，15（10）：1617-1622.

[3] J.Peet，A.B.Tamayo，X.D.Dang，et al.Small molecule sensitizers for near-infrared absorption in polymer bulk heterojunction solar cells[J]. Appl Phys lett， 2008.93：163306.

[4] V.Kruefu，E.Peterson，C.Khantha，et al.Flame-made niobium doped zinc oxide nanoparticles in bulk heterojunction solar cells[J]. Appl Phys lett，2010，97：053302.

[5]木麗萍，謝勇，鄭曉紅，陰極材料對有機太陽電池性能的影響.電極元件與材料，大理學院，2012，31（4）.

作者簡介：

李利如，女，漢族，1984年6月，河南省濮陽市南樂縣人，研究生學歷，碩士學位。