一種塑基高導(dǎo)電pedot:pss薄膜電極及其制備方法與應(yīng)用
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高導(dǎo)電的、柔性透明的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PED0T:PSS)薄膜以及其在可彎曲的有機(jī)太陽能電池上的應(yīng)用，尤其是涉及一種醇酸共處理而生成高導(dǎo)電的、強(qiáng)機(jī)械韌性的聚合物透明薄膜PED0T:PSS，以及以這種薄膜為柔性透明導(dǎo)電電極的有機(jī)太陽能電池的研制。
【【背景技術(shù)】】
[0002]一種廉價(jià)的，可溶液處理，透明和導(dǎo)電聚合物薄膜，聚(3，4-乙撐二氧噻吩)??聚(苯乙烯)(簡稱PEDOT:PSS)薄膜，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于電池、發(fā)光和顯示器件的界面層和電極材料[1-4]。PEDOT:PSS薄膜在可見光范圍內(nèi)具有高透明度，高機(jī)械韌性和優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和環(huán)境穩(wěn)定性。然而，PSS是一種絕緣體，導(dǎo)致未處理的PEDOT:PSS薄膜的導(dǎo)電率非常低(低于1.0S cm-1) [4] ο此外，由于PEDOT的結(jié)晶度不高，阻礙了空穴的傳輸效率和收集效率。而良好的聚合物電極材料要求PEDOT:PSS具有較高的導(dǎo)電性。
[0003]目前，文獻(xiàn)報(bào)道關(guān)于高導(dǎo)電的PED0T:PSS薄膜的制備方法主要有:(1)醇處理，包括甲醇、乙醇、乙二醇等；(2)酸處理，包括硫酸、甲基磺酸、草酸等。醇處理的PEDOT:PSS薄膜的導(dǎo)電率一般都不高，不超過2000S cm^1 [4-6] ο而硫酸或甲基磺酸酸化處理PEDOT:PSS能形成高導(dǎo)電率聚合物薄膜，導(dǎo)電率分別為4380S (^[5^^ 30653 cnT1 [2]，然后，上述方法制備的薄膜均在透明玻璃基底上制備，制備溫度為140?160°C，用塑料作基底也可以形成PED0T:PSS高導(dǎo)電率聚合物薄膜，而塑料基底具有極強(qiáng)的憎水性，PED0T:PSS水溶液難以在塑料基底上鋪開；同時(shí)，這些強(qiáng)酸在高溫下(140 - 1600C )易和塑料基底發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致薄膜的透明性變差。
[0004]【參考文獻(xiàn)】
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【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0010]基于上述技術(shù)背景，本發(fā)明的目的是提供一種以塑料為基底制備高導(dǎo)電的PEDOT:PSS薄膜的制備方法。該方法解決了 PED0T:PSS在塑料基底上浸潤性差和導(dǎo)電性差的問題。其操作步驟簡單，實(shí)驗(yàn)成本低廉，同時(shí)實(shí)驗(yàn)副產(chǎn)品對(duì)環(huán)境污染少；另外，所制備的PEDOT:PSS薄膜的整體結(jié)構(gòu)清晰，大小分布均勻，可有效應(yīng)用于柔性的有機(jī)器件，例如研制可彎曲有機(jī)太陽能電池，具有良好的應(yīng)用前景。
[0011]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料為襯底，在PEDOT:PSS水溶液中添加0.5vol.%的含氟表面活性劑Zonyl FS-300，成功克服了PED0T:PSS在塑料襯底上浸潤性差的難題；通過兩步法，即先甲醇處理后甲基磺酸處理，并控制反應(yīng)溫度和時(shí)間，從而在PET塑料上制備了高導(dǎo)電的PED0T:PSS薄膜。最后，將酸醇處理的PED0T:PSS柔性透明薄膜作為陽極，組裝可彎曲的和高效率的有機(jī)太陽能電池。
[0012]本發(fā)明的具體制備流程和工藝如下:
[0013]⑴清洗基底
[0014]選取PET塑料基板先后經(jīng)過清洗劑，去離子水，丙酮，異丙醇超聲處理，每次15分鐘，每種溶劑處理2次，然后經(jīng)紫外臭氧室15分鐘處理；
[0015](2)配制混合PEDOT:PSS旋涂液
[0016]在含量為6%的PEDOT:PSS水溶液中(Clev1s PH1000)，混合0.5%體積的含氟表面活性劑Zonyl FS-300和6%體積的純甲醇，攪拌24小時(shí)；
[0017](3)旋涂及甲醇處理
[0018]在PET塑料基底上以2500轉(zhuǎn)/秒的轉(zhuǎn)速旋涂制備PEDOT:PSS薄膜。旋涂時(shí)間為60秒，然后，將薄膜沉浸在純甲醇中，漂洗三次，取出樣品，接著，在熱板上熱處理10分鐘，溫度為120。。;
[0019](4)甲基磺酸溶液酸處理
[0020]配比8M的甲基磺酸溶液。將PEDOT:PSS薄膜放置在熱板上，溫度為130°C。滴加SM的甲基磺酸溶液，鋪滿整個(gè)薄膜的表面，熱處理5分鐘。然后，取出樣品，用去離子水洗滌三次，再120°C熱退火10分鐘，從而形成高導(dǎo)電的PEDOT:PSS薄膜。
[0021]可彎曲的有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)為PET基底/PED0T:PSS電極/PEDOT:PSS (Clev1sP VP 4083)緩沖層/P3HT: PCBM活性層/Ca/Al電極層。
[0022]用本發(fā)明制備可彎曲的有機(jī)太陽能電池的步驟為:
[0023]1、在PET塑料基底上，形成高導(dǎo)電PEDOT:PSS薄膜。
[0024](a)清洗基底
[0025]選取PET塑料基板先后經(jīng)過清洗劑，去離子水，丙酮，異丙醇超聲處理，每次15分鐘，每種溶劑處理2次。然后經(jīng)紫外臭氧室15分鐘處理。
[0026](b)配制混合PEDOT:PSS旋涂液
[0027]在含量為6%的PEDOT:PSS水溶液中(Clev1s PH1000)，混合0.5%體積的含氟表面活性劑Zonyl FS-300和6%體積的甲醇，攪拌24小時(shí)；
[0028](C)旋涂及甲醇處理
[0029]在PET塑料基底上以2500轉(zhuǎn)/秒的轉(zhuǎn)速旋涂制備PEDOT:PSS薄膜。旋涂時(shí)間為60秒，然后，將薄膜沉浸在純甲醇中，漂洗三次，取出樣品，接著，在熱板上熱處理10分鐘，溫度為120。。;
[0030](d)甲基磺酸溶液酸處理
[0031]配比8M的甲基磺酸溶液。將PEDOT:PSS薄膜放置在熱板上，溫度為130°C。滴加SM的甲基磺酸溶液，鋪滿整個(gè)薄膜的表面，熱處理5分鐘。然后，取出樣品，用去離子水洗滌三次，再120°C熱退火10分鐘，從而形成高導(dǎo)電的PEDOT:PSS薄膜。
[0032]2、在PEDOT:PSS薄膜上形成PEDOT:PSS緩沖層
[0033]以5000轉(zhuǎn)/秒的轉(zhuǎn)速旋涂PEDOT:PSS (Clev1s P VP 4083)溶液，旋轉(zhuǎn)時(shí)間為60秒，制備陽極緩沖層，120°C熱處理10分鐘。
[0034]3、然后，在陽極緩沖層上旋涂P3HT和PCBM的共混溶液，溶劑為鄰二氯苯，轉(zhuǎn)速為600轉(zhuǎn)/秒，時(shí)間為60秒。
[0035]4、然后，進(jìn)行溶劑退火和熱退火。隨后，蒸發(fā)負(fù)電極Ca和Al，從而研制了可彎曲的有機(jī)太陽能電池。圖1是此器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]薄膜表征和器件測(cè)試
[0037]將所制備得到的PEDOT:PSS薄膜進(jìn)行了透射譜、X射線衍射、原子力電子顯微鏡分析。X射線衍射(XRD)分析使用的儀器是DSAdvance，測(cè)定條件是0.001° /步掃描。原子力電子顯微鏡是在40KV的電壓和50mA的電流下進(jìn)行的。
[0038]將組裝好的可彎曲有機(jī)太陽能電池進(jìn)行光電性能測(cè)試。電流密度(J-V)的器件的測(cè)量是在一個(gè)計(jì)算機(jī)控制的吉時(shí)利236源測(cè)量單元進(jìn)行。設(shè)備特性化是照明AM1.5G下的環(huán)境氛圍中進(jìn)行的，以10mW cm_2的氣氣燈為基礎(chǔ)的太陽能模擬器(來自NewportC0.，LTD.)。外部量子