不良溶剂诱导全聚合物太阳能电池活性层的表面功函变化

doi:10.7503/cjcu20170502

高等学校化学学报 ›› 2018, Vol. 39 ›› Issue (2): 263.doi: 10.7503/cjcu20170502

不良溶剂诱导全聚合物太阳能电池活性层的表面功函变化

李洪爱¹, 宋春鹏¹, 曲轶^1,³(), 张吉东²()

1. 长春理工大学, 高功率半导体激光国家重点实验室, 长春 130022
2. 中国科学院长春应用化学研究所, 高分子物理与化学国家重点实验室, 长春 130022
3. 海南师范大学物理与电子工程学院, 海口 571158

收稿日期:2017-07-24 出版日期:2018-02-10 发布日期:2017-12-25
作者简介:联系人简介: 曲轶, 男, 博士, 研究员, 博士生导师, 主要从事半导体光电子研究. E-mail: quyi@cust.edu.cn; 张吉东, 男, 博士, 研究员, 博士生导师, 主要从事高分子材料凝聚态结构表征研究. E-mail: jdzhang@ciac.ac.cn
基金资助:
国家自然科学基金(批准号: U1332116, 61430037, 11474036, 61774025)资助

Transform of Work Function of Poor-solvent Induced Active Layer Surface in All-polymer Solar Cells^†

LI Hongai¹, SONG Chunpeng¹, QU Yi^1,^3,^*(), ZHANG Jidong^2,^*()

1. State Key Laboratory of High Power Semiconductor Lasers, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China
2. State Key Laboratory of Polymer Physics and Chemistry, Changchun Institute of Applied Chemistry,Chinese Academy of Sciences, Changchun 130022, China
3. College of Physics and Electronic Engineering, Hainan Normal University,Haikou 571158, China

Received:2017-07-24 Online:2018-02-10 Published:2017-12-25
Contact: QU Yi,ZHANG Jidong E-mail:quyi@cust.edu.cn;jdzhang@ciac.ac.cn
Supported by:
† Supported by the National Natural Science Foundation of China(Nos.U1332116, 61430037, 11474036, 61774025)

摘要/Abstract

摘要：

使用甲醇溶剂熏蒸聚(4,8-双[5-(2-乙基己基)噻吩-2-基]苯并[1,2-b;4,5-b']双噻吩-2,6-双基-{4-(2-乙基己基)-3-氟代噻吩[3,4-b]噻吩-}-2-羧基-2,6-双基)(PTB7-Th)和聚[N,N'-双(2-辛基十二烷基)-1,4,5,8-萘二酰亚胺-2,6-双基-并-5,5'-(2,2'-双噻吩)](N2200)二元混合的活性层薄膜, 发现其活性层和镀金探针间的接触电势差从37 mV升高到160 mV, 表明活性层表面功函由4.71 eV降低到4.59 eV. XPS结果表明, 由于甲醇和N2200之间更强的相互作用, 在溶剂熏蒸过程中有更多的N2200分子扩散到薄膜表面. 扩散引起了活性层表面功函的减小, 使活性层和电极之间能级更加匹配, 形成了更好的欧姆接触, 使器件的功率转化效率提高了10%以上.

关键词: 全聚合物太阳能电池, 溶剂熏蒸, 活性层表面功函, 扩散

Abstract:

The binary of blend poly{4,8-bis[5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl]benzo[1,2-b∶4,5-b']dithiophe-ne-alt-3-flu-orothieno[3,4-b]thiophene-2-carboxy-late}(PTB7-Th)∶poly{[N,N-bis(2-octyldodecyl)-napthalene-1,4,5,8-bis(dicarboximide)-2,6-diyl]-alt-5,5'-(2,2'-bithiophene)}(N2200)(PTB7-Th∶N2200) active layer films were annealed by methanol solvent. The difference of contact potential between active layer and gold-coated tip were increased from 37 mV to 160 mV, which means the surface work function decreased from 4.71 eV to 4.59 eV. XPS result showed that more N2200 diffused to surface of active layer during vapor annealing because there was a stronger interaction between poor polar solvent methanol and N2200. Such diffusion lead to the decrease of work function which was beneficial to promote energy match between electrode and active layer and the formation of better ohmic contact, which resulted in the over 10% enhance of power conversion efficiency of corresponding organic solar cells.

Key words: All-polymer solar cell, Solvent annealing, Work function of active layer surface, Diffuse

中图分类号:

O646
O641

TrendMD:

李洪爱, 宋春鹏, 曲轶, 张吉东. 不良溶剂诱导全聚合物太阳能电池活性层的表面功函变化. 高等学校化学学报, 2018, 39(2): 263.

LI Hongai, SONG Chunpeng, QU Yi, ZHANG Jidong. Transform of Work Function of Poor-solvent Induced Active Layer Surface in All-polymer Solar Cells^†. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(2): 263.

图/表 7

Scheme 1 Chemical structures of the Donor(PTB7-Th) and Acceptor(N2200) polymers

Fig.1 Contact potential difference(CPD) images of the active layer with methanol solvent vapor annealing different time obtained from KPFM t/min: (A) 0; (B) 1; (C) 2; (D) 3.

Fig.2 Surface topographic AFM images with methanol annealing t/min: (A) 0; (B) 1; (C) 2.

Fig.3 XPS spectra for element F1s(A) and N1s(B) of active layers with methanol solvent vapor annealing t/min: a. 0; b. 1; c. 2.

Fig.4 Vis-NIR absorption spectra(A) and XRD pattern(B) of the crystallization of PTB7-Th∶N2200 in films vapor annealing by methanol

Fig.5 Conventional N2200∶PTB7-Th organic bulk-heterojunction solar cells device stack(A) and current density-voltage characteristics of polymer solar cells(PSC) devices with methanol solvents treatment under 100 mW/cm AM 1.5G solar illumination based on PTB7-Th∶N2200 active layer(B)t/min: a. 0; b. 1; c. 2.

Table 1 Photovoltaic parameters of the PTB7-Th∶N2200 based solar cells measured under 100 mW/cm2 AM 1.5G solar illumination

Annealing time/min	V_oc/V	J_sc/(mA·cm^-2)	FF(%)	PCE(%)
0	0.78	8.94	0.50	3.51
1	0.80	9.56	0.51	3.89
2	0.80	9.86	0.50	3.97

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