PEDOT的电化学合成及其在固态染料敏化太阳能电池中的应用研究
发布时间：2021-08-07 21:01
本工作主要围绕PEDOT的合成及其在固态染料敏化太阳能电池对电极中的应用开展研究,重点研究了循环伏安法电化学沉积过程中循环次数（10～50次）对PEDOT薄膜的形貌、厚度及光学性质的影响.通过红外光谱、SEM、紫外-可见吸收光谱表征了PEDOT的结构、形貌及光性质;通过J-V、动态调制光电流谱（IMPS）/光电压谱（IMVS）以及Tafel测试表征了基于PEDOT透明对电极染料敏化太阳能电池的光电化学性能.结果表明:采用循环伏安法电沉积合成PEDOT制备固态染料敏化太阳能电池对电极时,CV循环30～40次之间时可以获得最佳的光电性能,固态器件的光电转换效率为5.34%,这是因为在该条件下所制备的PEDOT具有均匀致密的表面、较好的光学性质以及较高的光电催化性能(J0=2.51×10-3A·cm-2),使得器件可以获得较大的扩散系数(Dn=28.80μm2·ms-1)和载流子扩散长度（L=21.41μm）,有利于电荷的传输.当CV循环次数大于40次时,PED...
【文章来源】：化学学报. 2020,78(10)北大核心SCICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
不同CV循环次数下PEDOT的截面形貌(a) 10,(b) 20,(c) 30,(d) 40,(e) 50;不同CV循环次数下PEDOT的表面形貌(f) 10,(g) 20,(h) 30,(i)40,(j) 50;不同CV循环次数下PEDOT的原子力显微镜图(f’) 10,(g’) 20,(h’) 30,(i’) 40,(j’) 50
有机p型半导体聚合物PEDOT具有C=C、C—S、C—O—C键以及聚噻吩骨架等特殊结构[17],其结构图如图1.图1为室温下电化学沉积所获PEDOT薄膜的红外光谱图.从图可见,在1514 cm-1产生红外吸收峰对应C=C键振动;920、1060 cm-1附近的吸收峰对应噻吩环乙撑基团C—O—C键的伸缩振动;C—S键伸缩振动产生的特征峰则位于567～980 cm-1之间,1200 cm-1附近以及1348 cm-1处的振动吸收峰则表明噻吩环中C—C键的吸收峰[26,28].由图1可知,PEDOT结构特征峰在红外光谱图中均有对应,PEDOT薄膜红外检测特征峰列于表1中,表中数据证明电沉积所得物质确为PEDOT.此外,在图1中,2400 cm-1附近出现了较强的吸收峰,为PEDOT骨架中自由载流子的吸收峰,属于半导体聚合物的特征吸收峰[20],这也印证了生成物为PEDOT.
PEDOT薄膜对电极的空穴迁移率是影响器件性能的一个重要因素.我们制备了ITO/PEDOT/Ag单载流子结构的器件,使两个电极与PEDOT形成欧姆接触,并测量了该结构的电流密度-电压曲线,如图3c所示.结果符合空间电荷限制电流的模型(Space charge limits current,即SCLC)[31,32].SCLC的数学表达式为:J=(9ε0εrV2μ)/(8d3),其中:ε0=8.85×10-14 C·V-1·cm-1表示真空介电常数,εr表示活性材料的相对介电常数,有机材料一般取3,d表示活性层厚度,μ表示空穴迁移率;对上式等式两边取对数:ln J=2ln V+ln(9ε0εrμ/8d3),ln J与ln V呈线性关系(如图3d),取斜率为2的曲线部分,根据截距即可计算得到PEDOT空穴迁移率.经过计算可得到PEDOT薄膜的空穴迁移率(见表2).随着CV循环次数从10增加到30,PEDOT的空穴迁移率从0.36增加到19.26 cm2·V-1·s-1,达到最大值,继续增加CV循环次数到50,空穴迁移率降低至1.538 cm2·V-1·s-1.说明CV循环次数为30时,空穴载流子在PEDOT对电极中有最佳的传输性能.2.5 器件光电性能分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]N,N-二甲基碘化铵:染料敏化太阳能电池钙钛矿前驱体电解质的高效添加剂[J]. 武文俊,信成浩,逄智涵,徐梁,李晨. 化学学报. 2019(06)
[2]双面进光太阳能电池透明对电极研究进展[J]. 杨英,陈甜,潘德群,张政,郭学益. 化学学报. 2018(09)
[3]含苯并噻二唑的吩噻嗪染料分子的设计合成及其在染料敏化太阳能电池中的应用[J]. 潘彬,朱义州,邱昌娟,王冰,郑健禺. 化学学报. 2018(03)
[4]染料敏化太阳电池:染料中稳定锚基团的研究进展[J]. 田亚娟,蔡宁,陈亚通,钱赛男,霍延平. 有机化学. 2018(05)
[5]合成介质对PEDOT催化染料敏化太阳电池光阴极性能的影响[J]. 袁盛华,高翔宇,马金福. 材料导报. 2017(S1)
[6]导电聚合物PEDOT的制备及导电性能[J]. 崔琛琛,王茗. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2012(11)
[7]新型多孔凝胶电解质的制备及其在准固态柔性基染料敏化太阳电池中的应用[J]. 李清华,王应民,李文杰,张婷婷,蔡莉,程泽秀,李禾. 光学学报. 2012(05)
[8]柔性染料敏化太阳电池[J]. 兰章,吴季怀. 化学进展. 2010(11)
[9]聚（3,4-二氧乙撑噻吩）的制备及其热电性能研究[J]. 谢宇,蒋丰兴,徐景坤. 功能材料. 2009(12)
本文编号：3328535
【文章来源】：化学学报. 2020,78(10)北大核心SCICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
不同CV循环次数下PEDOT的截面形貌(a) 10,(b) 20,(c) 30,(d) 40,(e) 50;不同CV循环次数下PEDOT的表面形貌(f) 10,(g) 20,(h) 30,(i)40,(j) 50;不同CV循环次数下PEDOT的原子力显微镜图(f’) 10,(g’) 20,(h’) 30,(i’) 40,(j’) 50
有机p型半导体聚合物PEDOT具有C=C、C—S、C—O—C键以及聚噻吩骨架等特殊结构[17],其结构图如图1.图1为室温下电化学沉积所获PEDOT薄膜的红外光谱图.从图可见,在1514 cm-1产生红外吸收峰对应C=C键振动;920、1060 cm-1附近的吸收峰对应噻吩环乙撑基团C—O—C键的伸缩振动;C—S键伸缩振动产生的特征峰则位于567～980 cm-1之间,1200 cm-1附近以及1348 cm-1处的振动吸收峰则表明噻吩环中C—C键的吸收峰[26,28].由图1可知,PEDOT结构特征峰在红外光谱图中均有对应,PEDOT薄膜红外检测特征峰列于表1中,表中数据证明电沉积所得物质确为PEDOT.此外,在图1中,2400 cm-1附近出现了较强的吸收峰,为PEDOT骨架中自由载流子的吸收峰,属于半导体聚合物的特征吸收峰[20],这也印证了生成物为PEDOT.
PEDOT薄膜对电极的空穴迁移率是影响器件性能的一个重要因素.我们制备了ITO/PEDOT/Ag单载流子结构的器件,使两个电极与PEDOT形成欧姆接触,并测量了该结构的电流密度-电压曲线,如图3c所示.结果符合空间电荷限制电流的模型(Space charge limits current,即SCLC)[31,32].SCLC的数学表达式为:J=(9ε0εrV2μ)/(8d3),其中:ε0=8.85×10-14 C·V-1·cm-1表示真空介电常数,εr表示活性材料的相对介电常数,有机材料一般取3,d表示活性层厚度,μ表示空穴迁移率;对上式等式两边取对数:ln J=2ln V+ln(9ε0εrμ/8d3),ln J与ln V呈线性关系(如图3d),取斜率为2的曲线部分,根据截距即可计算得到PEDOT空穴迁移率.经过计算可得到PEDOT薄膜的空穴迁移率(见表2).随着CV循环次数从10增加到30,PEDOT的空穴迁移率从0.36增加到19.26 cm2·V-1·s-1,达到最大值,继续增加CV循环次数到50,空穴迁移率降低至1.538 cm2·V-1·s-1.说明CV循环次数为30时,空穴载流子在PEDOT对电极中有最佳的传输性能.2.5 器件光电性能分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]N,N-二甲基碘化铵:染料敏化太阳能电池钙钛矿前驱体电解质的高效添加剂[J]. 武文俊,信成浩,逄智涵,徐梁,李晨. 化学学报. 2019(06)
[2]双面进光太阳能电池透明对电极研究进展[J]. 杨英,陈甜,潘德群,张政,郭学益. 化学学报. 2018(09)
[3]含苯并噻二唑的吩噻嗪染料分子的设计合成及其在染料敏化太阳能电池中的应用[J]. 潘彬,朱义州,邱昌娟,王冰,郑健禺. 化学学报. 2018(03)
[4]染料敏化太阳电池:染料中稳定锚基团的研究进展[J]. 田亚娟,蔡宁,陈亚通,钱赛男,霍延平. 有机化学. 2018(05)
[5]合成介质对PEDOT催化染料敏化太阳电池光阴极性能的影响[J]. 袁盛华,高翔宇,马金福. 材料导报. 2017(S1)
[6]导电聚合物PEDOT的制备及导电性能[J]. 崔琛琛,王茗. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2012(11)
[7]新型多孔凝胶电解质的制备及其在准固态柔性基染料敏化太阳电池中的应用[J]. 李清华,王应民,李文杰,张婷婷,蔡莉,程泽秀,李禾. 光学学报. 2012(05)
[8]柔性染料敏化太阳电池[J]. 兰章,吴季怀. 化学进展. 2010(11)
[9]聚（3,4-二氧乙撑噻吩）的制备及其热电性能研究[J]. 谢宇,蒋丰兴,徐景坤. 功能材料. 2009(12)
本文编号：3328535
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