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2014年

基于导电高分子材料的光电器件研究进展

来源:武汉光电国家研究中心     作者:    发布时间:2015年12月28日    浏览:

  导电高分子材料具有易于制备、易于加工、易于成膜、物理及化学性质可调等优点,在能源、信息、生物等领域具有广泛的应用前景。水溶性导电聚合物PEDOT:PSS更是由于其具有高透光率、高电导率等优点,逐渐被应用到有机、钙钛矿等新兴太阳能电池、电容、热电等领域。但是,该导电聚合物材料(PEDOT:PSS)在加工工艺、导电性、功函数、光学性质以及如何与新兴太阳能电池的物理化学性质相匹配等方面的问题阻碍了其在这些光电器件上的应用,成为当前该领域急需解决的关键问题。近期光电国家实验室周印华教授课题组围绕PEDOT:PSS薄膜的性质调控、制膜工艺以及作为电极在有机及钙钛矿太阳能电池、柔性高分子电容器等方面取得进展,实现有机及钙钛矿太阳能电池的无真空化、低成本制备,主要如下:

  (1)钙钛矿太阳能电池因其易于制备、高效率而成为近年来的研究热点,但是由于光电转换效率高的钙钛矿材料差的湿度稳定性限制了PEDOT:PSS作为顶电极在钙钛矿电池中的应用。为了解决此问题,周印华教授课题组博士生蒋方圆通过转印技术(transfer printing),即先将PEDOT:PSS制备到第三方基底上(如聚二甲基硅氧烷、保鲜膜等),再转印至钙钛矿层及空穴收集层表面,因而将PEDOT:PSS作为顶电极应用到钙钛矿太阳能电池中,实现钙钛矿电池的无真空化制备(图1a)。此工作以论文 发表“ Metal electrode–free perovskite solar cells with transfer-laminated conducting polymer electrode” 发表在在Optics Express, 2015, 23, A83-91。
(链接: https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-23-3-A83&id=307825

图1 (a) 以PEDOT:PSS为顶电极的钙钛矿太阳能电池的结构示意图;(b) 基于新型中间层的叠层钙钛矿太阳能电池结构示意图;

  

更进一步,该课题组基于导电聚合物PEDOT:PSS 设计制备了一种结构为“ spiro-OMeTAD/PEDOT:PSS/PEI/PCBM:PEI”的电荷复合中间层,实现了首个bottom-up全溶液加工的钙钛矿/钙钛矿叠层太阳能电池(图1b)。此工作以题为 “ Two-terminal perovskite/perovskite tandem solar cell”发表在Journal of Materials Chemistry A, 2015, DOI: 10.1039/C5TA08744A。
(链接:http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2015/ta/c5ta08744a#!divAbstract

  (2)导电高分子在电容及热导、热电转换等相关领域的应用开始逐渐受到关注,如何制备高电导率、微米尺度厚且厚度均匀的聚合物薄膜是一个难点。近期,周印华课题组博士后李在房将PEDOT:PSS溶液滴加至稀硫酸中,利用稀硫酸置换出PSS,获得高浓度和粘度的导电聚合物浆料,制备出电导率达1400 S/cm、方阻低至0.59欧姆/方块的微米厚的自支撑膜HCT-PEDOT:PSS(图2)。以该聚合物膜为顶电极所制备的无真空过程有机太阳能电池,实现了与真空蒸镀金属银电极相当的光电转换效率。与实验室霍开富教授课题组合作,博士生马国强基于该聚合物膜制备了柔性超级电容器,由于该薄膜具有优异的电荷传输能力,所制备的柔性超级电容器在功率密度高达16160 mWcm^-3,其能量密度仍可达到3.15 mWhcm^-3。这一研究成果为导电性能优越的微米尺度厚膜的制备提供了新的途径。此工作以题为“ Free-Standing Conducting Polymer Films for High-Performance Energy Devices”发表在Angewandte Chemie International Edition, DOI: 10.1002/ange.201509033,并被该杂志选为 “ Hot Paper”。
(链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.201509033/full

  图2  (a) 高电导率微米尺度厚的导电聚合物膜(HCT-PEDOT:PSS)的制备过程示意图;(b) 所制备的HCT-PEDOT:PSS膜照片及SEM截面图。

  

以上研究工作得到了 “ 青年千人计划”、国家自然科学基金(21474035,51403071)、中央高校基本科研业务费(HUST: 2014YQ013)及中国博士后基金(2014M562016,2015T80794)的支持。


(责任编辑:陈智敏)