聚合物光伏电池材料真空极化取向的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京石油化工学院 作者:李健

  聚[2- 甲氧基5-(2′- 乙基己氧基)对苯乙炔](MEH-PPV)和聚3- 己基噻吩(P3HT)是典型的共轭聚合物,可以作为新型的光伏电池材料。真空条件下对两种聚合物材料进行极化取向实验,可以增加载流子的迁移能力,提高导电能力,有利于聚合物太阳能薄膜电池性能的改善。

  聚合物太阳能电池的优势在于原料来源广泛,生产工艺简单,转换效率有望更高的突破,因此受到广泛的关注。然而,目前聚合物太阳能电池的转换效率比较低,最高效率7.6%,离实际应用还有很大的距离。主要原因就是共轭聚合物材料的分子链结构比较杂乱,导电能力比较弱,导致光电转换效率较低。极化取向可以使聚合物在力学、热学和光学等性能发生很大的变化。聚合物在某种外力作用下,分子链、链段和结晶聚合物中的晶粒等取向单元沿着外力作用方向择优排列,称为极化取向。即指结构单元关于特定方向排列的倾向性。聚合物链极化取向控制的意义:从分子链结构上来看,π 共轭聚合物是准一维的导电体系。由于分子链长度有限,只有当载流子发生链间跃迁时,才能实现电荷的三维传递。共轭聚合物的导电性是载流子在主链中的传递及在链间跃迁或隧道效应总和的宏观表现。载流子在共轭主链上传递所需的能量极低,而在分子链间跃迁需要较大的能量。载流子分子链间跃迁困难和非共轭的σ 单键的存在是共轭聚合物导电性难以提高的原因。利用适当方法提高聚合物链取向,使相邻分子间电子轨道能最大限度地重叠,从而减少载流子在分子链间跃迁所需的能量,有利于在聚合物区域结构内载流子的高度迁移。链取向控制,实际上是增加了共轭链在取向方向上的长度以及大大降低了电荷传递中所需的能量,增强了电荷的离域性。因此,链高度取向的π共轭聚合物,在平行于取向方向上的导电性会呈现数量级升高,而垂直于取向方向上的导电性下降,导电性的各向异性可达2-10 个数量级。链取向还可使材料获得高强度、高模量,同时也能相应地提高材料的稳定性。这些有利于π 共轭聚合物作为聚合物太阳能电池材料进行载流子的传输。有机分子的取向可以分为以下两种情况,“平躺”和“直立”在衬底上取向生长,电输运优势方向则分别垂直和平行衬底平面。如图1 所示为聚合物的两种取向形式。

 聚合物链两种取向形式

图1 聚合物链两种取向形式

1、极化取向实验装置设计

  1.1、DM-450C 真空镀膜机改造

  为了进行真空条件下的实验,在DM-450C 真空镀膜机的钟罩中加装一个小型的实验台,以便进行加热加电场实验。通过在真空条件下加热加电场来实现聚合物分子链的取向结构。如图2 所示为真空极化取向装置。

真空极化取向装置

图2 真空极化取向装置

  在此实验装置中,小型试验台结构为:顶端4 cm×4 cm 铜平板上安装接线柱连接加电压调压器的正极,可以作为平行电场的正端;下面用两个缠有聚四氟绝缘带载玻片分布两边,作为平行电场中间的绝缘支撑部分;在两绝缘载玻片中间,可以放置旋涂或滴加聚合物薄膜试样;在绝缘载玻片下面为6 cm×6 cm 的铜平板接加电压调压器的负极,作为平行电场的负端;在负端铜板和下面支撑铜板之间的部分为云母加热片,使用扁平电热丝缠绕在云母片上,两边各加一层云母片绝缘,作为加热部分;电热丝连接加热调压器,可控制温度;热电偶插入云母加热片中间2 cm,外接万用表可以测加热温度;最下面为4 个磁管绝缘的不锈钢支柱支撑实验台。

  当开启机械真空泵后,可以将钟罩抽真空到0.1 Pa,实现真空条件;调节加热调压器可以控制云母加热片的加热温度,最高可加热到400 ℃;调节加电压调压器可以控制平行电场强度;热电偶为铂铑丝热电偶,输出电压可以表征加热温度。如图3 所示为铂铑热电偶的输出特性曲线。

铂铑热电偶计的温度与电压的关系图

图3 铂铑热电偶计的温度与电压的关系图

  1.2、加电压调压器设计

  加电压调压器在电场极化取向中作用是调节电场强度,在本实验中,我们自主设计了直流可调电源作为加电压调压器,可调最高电压为3000 V。图4 为直流可调电源电路图。在图4 电路图中,R1=3 MΩ,R2=300 kΩ,R3=10 kΩ,R4=30 kΩ,R5=100 kΩ,电压表V 的量程为100 V,电流表A1,A2 的量程分别为10 mA,1 mA。利用本装置可以将220 V 的交流电转换为可调的高压直流电,进行加电场实验。

直流可调电源电路图

图4 直流可调电源电路图

5、结论与展望

  通过对真空条件下共轭聚合物光伏电池材料极化取向的研究,可以发现P3HT 薄膜加电场加热后,极化取向表现为水平方向;MEH-PPV 分子能够直立在衬底上生长形成新的薄膜,链的取向结构表现为垂直方向。两种聚合物薄膜极化取向后测得的电阻率明显地低于极化取向前的。这是因为在电场作用下对薄膜进行极化取向,在提高了聚合物取向一致性的同时,也增多了载流子传输的通道,从而增大了载流子传输方向的一致性,减小了传输过程的阻力和陷阱。

  此外,真空条件下加热加电场对于聚合物极化取向有利于其光伏特性的发挥,但效果不十分明显,归结于两方面,一方面外加电场没有完全作用在聚合物的薄膜上,大部分的电压都集中于绝缘的衬底和中空部分上,未能实现聚合物上的高压电场;另一方面加热可以使聚合物软化甚至流动,温度的控制和测量存在一定的误差,所加温度和电压的组合配比有待于进一步研究。今后应考虑使高压电场能加在聚合物薄膜上而不破坏薄膜本身结构的方法进一步提高极化取向的能力。只有从共轭聚合物材料方面改善其综合性能,才可能实现聚合物太阳能薄膜电池转换效率的突破。

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