基于石墨烯及其衍生物的有机太阳能电池的研究进展

任田益

(内蒙古师范大学,内蒙古 呼和浩特010022

摘要:为解决当今世界日益加剧的能源问题,将清洁绿色且储藏丰厚的太阳能转化为人类可直接利用的电能是当今热门的研究方向。在各类型太阳能电池中,成本低廉,工艺简单轻便易弯曲等优点,使得聚合物有机太阳能电池受到普遍关注。最近几年的有关报告显示聚合物有机太阳能电池的效率在不断提升,目前最高光电转换效率已达到11.3%。如今经过大量科学研究发现石墨烯材料表现出许多特有的光学、电学和力学性质,这些性质使得它应用于聚合物太阳能电池的电极界面修饰领域时展现非常强大的潜力。文章论述了作为阳极和空穴传输界面层以及作为电极材料的有机太阳能电池所展现的性能。

关键词:石墨烯;石墨烯衍生物;有机太阳能电池;电极材料;界面层

引言

近年来,石墨烯研究成为新的热点。研究表明石墨烯材料具有很高的杨氏模量(1.06TPa)、高强度的力学性能(抗拉强度125GPa、弹性模量1.1TPa)、大的比表面积(2630m2·g1)与热学性能(5000W·m1K1),除此之外还具有化学稳定性以及超轻性、柔韧性[1][2][3]。综合上述性能,在柔性透明电极、建筑工程材料、新能源材料、柔性光电子器件、汽车工业等应用前沿产业领域具有广阔的前景。

石墨烯材料在有机太阳能电池界面层中的应用

1.1作为电极材料的石墨烯

       在近几年,科学家一直尝试制备透明的有机太阳能电池,相比无机硅材料,有机太阳能电池具有诸多优势,但是,这些研究有着亟待攻克的难题:找不到用以制备有机太阳能的兼具透光性和导电性的材料。目前,使用最广泛的材料是氧化铟锡(ITO),它满足导电与透光要求,由于其具高硬度,弯曲时容易断裂。石墨烯由于其同样良好的导电性透明性以及超薄特性成为替代传统ITO材料的最佳候选材料[4]

       目前将石墨烯材料应用于有机太阳能仍有两大困难。其一,将石墨烯两个电极沉积到市面流行的玻璃或塑料极板上是十分复杂且对环境要求苛刻的过程。其二,在实验中,由于两层石墨烯电极之间的空穴运输层具有易溶解性,因此难以接触水和热源。器件顶部与底部分别采用ITO与石墨烯材料,承受不同的性能,这是很难实现的[5]

       乐观的是柔性的石墨烯太阳能电池总可以扩散到任意表面。科研人员在使用透明塑料、不透明纸板和半透明胶带这三种材料作为太阳能电池底板,并在将双层石墨烯电极沉积在其上后发现三种条件下转换效率各有不同,但都仅仅略低于以玻璃为底板的有机太阳能电池。实验表明,石墨烯太阳能电池可以普遍应用在如大楼玻璃外墙、可穿戴式设备、衣物以及各类设备外壳。

1.2作为阳极界面层的石墨烯材料

随着有机光电子器件的快速发展,器件的内在机制越来越深入,研究人员发现了界面层材料。换句话说,电极和活性层之间的材料在有机光电器件中扮演着越来越重要的角色。在半导体类型中,依据导电方式的不同有p型与n型之分,区域规整聚噻吩(P3HT)、并噻吩共聚物和苯并二噻吩属p型聚合物半导体材料,且常用的n型半导体材料有富勒烯衍生物等[4-6]有机叠层太阳能电池经过聚合物溶液加工,效率已达到10.6%[8];利用有机小分子半导体材料真空蒸镀制备的有机叠层太阳能电池,最高效率达12.0%[9]

氧化石墨烯常常使用溶液旋涂的方法在ITO电极上制备薄膜。基于P3HT:PC61BM结构,且使用氧化石墨烯作为其阳极材料的聚合物太阳能电池器件,其短路电流为11.40mA/cm2开路电压0.57V填充因子0.54光电转换效率达到3.5%[10]

为了由光电效应产生空位,使用溢出功函数为4.9eV氧化石墨烯,由此P3HT形成合适的能级匹配。相比之下,使用PEDOT,没有接口层的控制设备的效率仅为1.8%;作为阳极界面层的控制装置的PSS的效率为3.6[6][10]。氧化石墨烯的使用水平完全可以媲美传统PEDOT:PSS材料。除此之外,有文献称氧化石墨烯越厚,其作为器件的电池效率越低,原因为绝缘性质随着厚度增加而增大,在210纳米内,随着氧化石墨烯厚度增加,电池效率下降了2.6个百分点,电池填充因子也下降了0.352010年,Gao[11]报道了反式构型的聚合物太阳能电池器件中使用氧化石墨烯作为阳极界面层的实验测试,实验显示,将氧化石墨烯的丁醇溶液用旋涂法作用于P3HT:PC61BM上且厚度为23纳米,由此条件电池器件的填充因子为0.64,开路电压为0.64V,短路电流为8.78mA/cm2,光电转换效率为3.60%。研究发现,羧基、酚羟基和烯醇羟基等集团内的质子相当于在氧化石墨烯中的掺杂,由此影响到P3HT。对位于界面附近的P3HT薄层进行重掺杂后发现,经过掺杂的P3HT薄层可以对电极与活性层形成契合的不产生明显附加阻抗的欧姆接触起到推波助澜的作用。

1.3作为空穴传输界面层的石墨烯材料

    Li等人的研究中,首先制作了氧化石墨烯太阳能电池,经测试他们采用的氧化石墨烯功函数为4.9 eV,略高于普通的还原石墨烯(r-GO)功函数(4.6eV)[12]。与ITO的功函比较匹配。随后他们制备了基于上述氧化石墨烯的ITO/GO/P3HT[(3-已基噻吩)]PCBM(富勒烯衍生物)/Al()结构的有机光伏器件。研究表明,当使用2nm厚的氧化石墨烯作为空穴传输材料时,光伏效率基本与使用PEDOTPSS的器件相当[12],远高于没有使用界面材料的器件。随着氧化石墨烯厚度的增加,光伏效率迅速下降,他们认为这主要是由于氧化石墨烯的绝缘性能导致电流和填充因子下降,从而使得效率降低。然后,他们检查了ITO表面上不同厚度的石墨烯氧化物的形态。薄膜的粗糙度分别为0.70nm0.97nm1.40nm,低于ITO的表面粗糙度[11-13]。显然,与PEDOTPSS类似,氧化石墨烯用于降低ITO的表面粗糙度。此外,上述三种厚度的氧化石墨烯对ITO的透光率几乎没有影响。

2结语

作为有机太阳能电池界面层材料的石墨烯及其功能化衍生物在工业应用及科研工作中表现出优良的性能。为了更大范围地或更精准地调节石墨烯衍生物的各项性能,可以开发新的功能化材料,使有机太阳能电池中活性层与其形成更契合的能级以达到更优良效果的有机太阳能电池器件;还可以另辟蹊径,开发由不同界面层复合构成的复合界面层以期达到较好效果。不仅仅是有机太阳能电池,通过对现实应用的基于石墨烯的周边产品进一步开发研究,可制备出光电转换效率优良的有机太阳能电池,从而为太阳能系列产品添砖加瓦,为解决能源问题助力。

参考文献:

[1]洪伟修.世界上最薄的材料石墨烯[J].康熹化学报,2009,11.

[2]黄林泉,周玲玉,于为,.石墨烯衍生物作为有机太阳能电池界面材料的研究进展[J].物理学报,2015,64(03):26-35.

[3] 刘朝阳可溶液加工的石墨烯在有机太阳能电池中的应用[D].吉林大学,2012.

[4] 高艳石墨烯材料的功能化及其在聚合物太阳能电池中的应用[D].浙江大学,2012.

[5] 龙官奎有机太阳能电池给体材料设计合成与器件优化研究[D].南开大学,2014.

[6]何畅,侯剑辉.基于非富勒烯受体的溶液加工型全小分子太阳能电池研究进展[J].物理化学学报,2018,34(11):1202-1210.

[7]南开在有机太阳能电池领域取得重要突破[J].化工新型材料,2018,46(11):283.

[8]何畅,侯剑辉.基于非富勒烯受体的溶液加工型全小分子太阳能电池研究进展[J].物理化学学报,2018,34(11):1202-1210.

[9]刘东,王林,李强.基于有机半导体的宽波段薄膜太阳能吸收器[J].工程热物理学报,2018,39(11):2512-2516.

[10]常云珍.化学还原石墨烯的制备、组装及电化学性能研究[D].山西大学,2013.

[12]徐鹏,邱汉迅,宋凌志,.石墨烯/金属纳米复合材料制备及研究进展[J].有色金属材料与工程,2017,38(3):177-184.

[13]邓宗南.嵌入式结构二硫化钼基复合电极材料的构筑与储锂性能[D].华东理工大学,2018.

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