P3HT:PCBM電池活性層形貌調(diào)控及性能優(yōu)化研究一、引言1.1研究背景與意義1.1.1太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及人口的持續(xù)增長(zhǎng)，能源需求與日俱增。傳統(tǒng)化石能源不僅儲(chǔ)量有限，而且在使用過程中會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，如導(dǎo)致溫室氣體排放增加，引發(fā)全球氣候變暖等問題。在這樣的背景下，開發(fā)清潔、可再生的新能源成為當(dāng)務(wù)之急，太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，備受關(guān)注。太陽能電池的發(fā)展歷程充滿了創(chuàng)新與突破。1839年，法國(guó)物理學(xué)家A.E.Becquerel發(fā)現(xiàn)了光生伏特效應(yīng)，為太陽能電池的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。1883年，美國(guó)科學(xué)家CharlesFritts制造出第一個(gè)硒太陽能電池，雖然其能量轉(zhuǎn)換效率僅有1%，但開啟了太陽能電池研究的大門。此后，太陽能電池技術(shù)不斷進(jìn)步，1954年，貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出轉(zhuǎn)換效率達(dá)到6%的硅太陽能電池，并應(yīng)用到第一顆人造衛(wèi)星上，標(biāo)志著太陽能電池開始進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。如今，太陽能電池的種類繁多，包括硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池和有機(jī)太陽能電池等。其中，硅太陽能電池憑借其成熟的技術(shù)和較高的轉(zhuǎn)換效率，在市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，硅太陽能電池也存在一些局限性，如制造成本高、加工工藝復(fù)雜以及柔韌性差等，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。在這種情況下，聚合物太陽能電池因其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)成為研究熱點(diǎn)。聚合物太陽能電池一般由共軛聚合物給體和富勒烯衍生物受體的共混膜夾在ITO透明正極和金屬負(fù)極之間組成，具有結(jié)構(gòu)和制備過程簡(jiǎn)單、成本低、重量輕、可制備成柔性器件等優(yōu)點(diǎn)。在眾多聚合物太陽能電池體系中，P3HT:PCBM體系是最具代表性的給體和受體光伏材料，基于P3HT/PCBM的光伏器件能量轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定達(dá)到3.5-4.0%左右，使這一體系成為聚合物太陽能電池研究的標(biāo)準(zhǔn)體系。但P3HT/PCBM體系也存在電子能級(jí)匹配性不好（P3HT的HOMO能級(jí)太高或者說PCBM的LUMO能級(jí)太低）的問題，導(dǎo)致器件的開路電壓較低，只有0.6V左右，限制了其能量轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提高。1.1.2P3HT:PCBM電池活性層研究的重要性在P3HT:PCBM聚合物太陽能電池中，活性層作為光電轉(zhuǎn)換的核心部分，其性能對(duì)電池的整體性能起著決定性作用?；钚詫拥奈⒂^形貌，如相分離程度、晶粒尺寸和結(jié)晶度等，直接影響光吸收、電荷傳輸和分離等關(guān)鍵過程。當(dāng)活性層具有理想的微觀形貌時(shí)，給體和受體能夠形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效擴(kuò)大給受體界面，從而提高激子的解離效率，有利于分離后的電子和空穴向兩電極傳輸。若活性層形貌不佳，激子的解離效率會(huì)降低，電荷傳輸過程中也容易發(fā)生復(fù)合，導(dǎo)致電池的能量轉(zhuǎn)換效率大幅下降。通過調(diào)控P3HT:PCBM電池活性層的形貌，可以優(yōu)化電池的光電性能，提高能量轉(zhuǎn)換效率。這不僅有助于推動(dòng)聚合物太陽能電池的實(shí)際應(yīng)用，滿足日益增長(zhǎng)的能源需求，還能減少對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴，降低環(huán)境污染，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國(guó)外，對(duì)P3HT:PCBM電池活性層形貌調(diào)控及性能的研究開展得較早且深入。早期研究主要集中在探索不同制備工藝對(duì)活性層形貌的影響。例如，通過溶液旋涂法制備P3HT:PCBM活性層時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)溶液濃度、旋涂速度等參數(shù)會(huì)顯著影響活性層的初始形貌，進(jìn)而影響電池性能。隨后，熱退火和溶劑退火等后處理工藝被廣泛應(yīng)用于調(diào)控活性層形貌。熱退火能夠促進(jìn)P3HT分子鏈的重排和結(jié)晶，使晶粒尺寸增大，改善電荷傳輸性能。溶劑退火則通過溶劑蒸汽對(duì)活性層的溶脹作用，調(diào)整給受體的相分離結(jié)構(gòu)，優(yōu)化激子解離和電荷傳輸路徑。近年來，添加劑工程成為國(guó)外研究的熱點(diǎn)方向。在活性層制備過程中添加少量特定添加劑，如1,8-二碘辛烷（DIO）等，可以有效調(diào)控活性層的微觀形貌。DIO能夠降低活性層的表面能，促進(jìn)P3HT和PCBM的相分離，形成更有利于電荷傳輸?shù)募{米級(jí)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，顯著提高電池的能量轉(zhuǎn)換效率。此外，一些新型添加劑的研發(fā)也在不斷推進(jìn)，旨在進(jìn)一步優(yōu)化活性層形貌和電池性能。國(guó)內(nèi)在P3HT:PCBM電池活性層研究方面也取得了豐碩成果?？蒲腥藛T在借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，開展了大量創(chuàng)新性研究。在活性層形貌調(diào)控方法上，除了傳統(tǒng)的制備工藝和后處理工藝優(yōu)化，還在界面工程方面進(jìn)行了深入探索。通過在活性層與電極之間引入合適的界面修飾層，不僅可以改善界面接觸，還能對(duì)活性層形貌產(chǎn)生積極影響，從而提高電池的開路電壓和填充因子。在添加劑調(diào)控方面，國(guó)內(nèi)研究人員也取得了重要進(jìn)展。研發(fā)出一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的添加劑，通過精確控制添加劑的種類、含量和添加時(shí)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)活性層形貌的精細(xì)調(diào)控。這些添加劑能夠在不改變活性層主體材料的前提下，有效改善活性層的結(jié)晶性和相分離結(jié)構(gòu)，提高電池的穩(wěn)定性和能量轉(zhuǎn)換效率。然而，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于P3HT:PCBM電池活性層形貌調(diào)控及性能研究仍存在一些不足和問題。一方面，雖然多種調(diào)控方法已被提出，但不同方法之間的協(xié)同作用研究較少，難以實(shí)現(xiàn)活性層形貌和性能的全面優(yōu)化。例如，添加劑與后處理工藝聯(lián)合使用時(shí)，二者之間的相互影響和最佳匹配條件尚未完全明確。另一方面，對(duì)于活性層微觀結(jié)構(gòu)與電池性能之間的內(nèi)在關(guān)系，還缺乏深入系統(tǒng)的理解?，F(xiàn)有的研究大多基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，理論模型的構(gòu)建相對(duì)滯后，無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)不同形貌下電池的性能表現(xiàn)，限制了進(jìn)一步的性能提升和優(yōu)化。鑒于以上問題，本文旨在通過深入研究P3HT:PCBM電池活性層形貌調(diào)控方法，系統(tǒng)分析活性層微觀結(jié)構(gòu)與電池性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，探索新的調(diào)控策略和方法，以實(shí)現(xiàn)活性層形貌的優(yōu)化和電池性能的顯著提升。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本文主要圍繞P3HT:PCBM電池活性層形貌調(diào)控及相關(guān)性能展開研究，具體內(nèi)容如下：P3HT:PCBM電池活性層工作原理研究：深入剖析P3HT:PCBM電池活性層在光電轉(zhuǎn)換過程中的工作機(jī)制，包括光吸收、激子產(chǎn)生、激子擴(kuò)散、電荷分離以及電荷傳輸?shù)雀鱾€(gè)環(huán)節(jié)。明確P3HT作為給體材料和PCBM作為受體材料在活性層中的作用，探究它們之間的相互作用對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率的影響，為后續(xù)形貌調(diào)控及性能優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。P3HT:PCBM電池活性層形貌調(diào)控方法研究：系統(tǒng)研究多種調(diào)控P3HT:PCBM電池活性層形貌的方法。一方面，探索不同制備工藝參數(shù)，如溶液濃度、旋涂速度、退火溫度和時(shí)間等對(duì)活性層初始形貌的影響規(guī)律。另一方面，研究添加劑對(duì)活性層形貌的調(diào)控作用，分析添加劑的種類、含量以及添加方式如何影響P3HT和PCBM的相分離結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度和晶粒尺寸等微觀形貌特征。此外，還將探討后處理工藝，如熱退火和溶劑退火等，在改善活性層形貌方面的作用機(jī)制。P3HT:PCBM電池活性層形貌對(duì)性能的影響研究：通過實(shí)驗(yàn)和表征手段，深入研究活性層形貌與電池性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。利用原子力顯微鏡（AFM）、掃描電子顯微鏡（SEM）等微觀表征技術(shù)，觀察不同形貌下活性層的微觀結(jié)構(gòu)；借助紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）、光致發(fā)光光譜（PL）等光學(xué)測(cè)試手段，分析活性層形貌對(duì)光吸收和激子復(fù)合的影響；通過電流-電壓（I-V）測(cè)試、電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)試等電學(xué)測(cè)試方法，研究活性層形貌對(duì)電池開路電壓、短路電流、填充因子和能量轉(zhuǎn)換效率等性能參數(shù)的影響規(guī)律。P3HT:PCBM電池活性層性能研究：在優(yōu)化活性層形貌的基礎(chǔ)上，全面研究P3HT:PCBM電池的各項(xiàng)性能。除了關(guān)注能量轉(zhuǎn)換效率這一關(guān)鍵性能指標(biāo)外，還將研究電池的穩(wěn)定性，包括熱穩(wěn)定性、光穩(wěn)定性和環(huán)境穩(wěn)定性等，分析活性層形貌對(duì)電池穩(wěn)定性的影響因素。同時(shí)，研究電池的響應(yīng)速度、內(nèi)阻等其他性能參數(shù)，評(píng)估P3HT:PCBM電池在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和優(yōu)勢(shì)。1.3.2研究方法本文將綜合運(yùn)用多種研究方法，以確保研究的全面性和深入性：文獻(xiàn)調(diào)研法：廣泛查閱國(guó)內(nèi)外關(guān)于P3HT:PCBM電池活性層形貌調(diào)控及性能研究的相關(guān)文獻(xiàn)資料，包括學(xué)術(shù)期刊論文、學(xué)位論文、專利以及會(huì)議報(bào)告等。通過對(duì)這些文獻(xiàn)的梳理和分析，了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)以及存在的問題，為本研究提供理論支持和研究思路。實(shí)驗(yàn)研究法：采用溶液旋涂法制備P3HT:PCBM電池活性層，通過改變制備工藝參數(shù)、添加不同種類和含量的添加劑以及進(jìn)行不同條件的后處理工藝，制備出一系列具有不同形貌的活性層樣品。在此基礎(chǔ)上，組裝成完整的聚合物太陽能電池器件，并對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試。通過對(duì)比不同樣品的制備條件和性能測(cè)試結(jié)果，總結(jié)出活性層形貌調(diào)控的有效方法以及形貌與性能之間的關(guān)系。表征分析方法：運(yùn)用多種先進(jìn)的表征技術(shù)對(duì)P3HT:PCBM電池活性層的微觀結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行全面分析。利用AFM和SEM觀察活性層的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)，獲取相分離程度、晶粒尺寸等信息；通過UV-Vis和PL光譜分析活性層的光吸收和激子復(fù)合特性；借助I-V測(cè)試、EIS測(cè)試等電學(xué)測(cè)試方法，測(cè)量電池的各項(xiàng)性能參數(shù)，深入研究活性層形貌對(duì)電池性能的影響。數(shù)據(jù)分析方法：對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的分析和處理。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法，分析不同制備條件和添加劑對(duì)活性層形貌和電池性能的影響的顯著性；采用相關(guān)性分析方法，研究活性層形貌參數(shù)與電池性能參數(shù)之間的相關(guān)性，建立起二者之間的數(shù)學(xué)模型，為進(jìn)一步優(yōu)化活性層形貌和提高電池性能提供依據(jù)。二、P3HT:PCBM電池活性層工作原理2.1P3HT與PCBM材料特性2.1.1P3HT材料特性P3HT，即聚(3-己基)噻吩，是一種典型的共軛聚合物。其分子結(jié)構(gòu)由噻吩環(huán)通過共價(jià)鍵連接而成，主鏈上的共軛π鍵賦予了P3HT獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。噻吩環(huán)上的己基側(cè)鏈則增加了分子的溶解性，使其能夠在常見有機(jī)溶劑中良好溶解，這為溶液加工制備太陽能電池提供了便利。從化學(xué)性質(zhì)來看，P3HT具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠在一定程度的環(huán)境條件變化下保持結(jié)構(gòu)和性能的相對(duì)穩(wěn)定。其共軛結(jié)構(gòu)使得分子內(nèi)電子云分布較為均勻，π電子具有一定的離域性，有利于電子的傳輸。在太陽能電池中，P3HT作為給體材料，主要負(fù)責(zé)吸收光子并產(chǎn)生激子。由于其共軛主鏈的存在，P3HT在可見光區(qū)域具有較強(qiáng)的吸收能力，吸收光譜范圍大致在400-650nm之間，最大吸收峰通常位于500-550nm左右。這種光吸收特性使得P3HT能夠有效地利用太陽光譜中的可見光部分，為光電轉(zhuǎn)換提供了基礎(chǔ)。在電學(xué)性質(zhì)方面，P3HT具有一定的空穴遷移率?？昭ㄟw移率是衡量材料中載流子傳輸能力的重要參數(shù)，P3HT的空穴遷移率一般在10??-10?2cm2/(V?s)范圍內(nèi)，這一數(shù)值雖然與一些傳統(tǒng)的無機(jī)半導(dǎo)體材料相比相對(duì)較低，但在有機(jī)半導(dǎo)體材料中表現(xiàn)較為突出。較高的空穴遷移率有助于分離后的空穴在活性層中快速傳輸至陽極，減少電荷復(fù)合，從而提高電池的性能。此外，P3HT的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）能級(jí)約為-5.1eV，這一能級(jí)位置決定了P3HT在與受體材料結(jié)合時(shí)，能夠在界面處形成合適的能級(jí)差，有利于激子的解離和電荷的轉(zhuǎn)移。2.1.2PCBM材料特性PCBM，全稱【6.6】-苯基C61丁酸甲酯，是一種富勒烯衍生物。其核心結(jié)構(gòu)是由60個(gè)碳原子組成的足球狀C60分子，在C60的基礎(chǔ)上，通過化學(xué)反應(yīng)引入了苯基和丁酸甲酯基團(tuán)。這種結(jié)構(gòu)修飾不僅增加了C60的溶解性，使其能夠更好地與P3HT等聚合物材料共混，還在一定程度上改變了其電子結(jié)構(gòu)和性能。PCBM具有優(yōu)異的電子親和性，其最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能級(jí)約為-3.9eV，這使得PCBM在與P3HT等給體材料混合時(shí)，能夠在二者界面處形成明顯的能級(jí)差。在太陽能電池的工作過程中，當(dāng)P3HT吸收光子產(chǎn)生激子后，由于P3HT的HOMO能級(jí)與PCBM的LUMO能級(jí)之間的差異，激子能夠在P3HT與PCBM的界面處迅速解離，電子從P3HT轉(zhuǎn)移到PCBM上，從而實(shí)現(xiàn)電荷的有效分離。PCBM的電子遷移率較高，一般可達(dá)10?3-10?1cm2/(V?s)，這使得其在接受來自P3HT的電子后，能夠快速地將電子傳輸至陰極。高電子遷移率保證了電子在活性層中的高效傳輸，減少了電子在傳輸過程中的復(fù)合損失，對(duì)提高太陽能電池的短路電流和能量轉(zhuǎn)換效率起到了關(guān)鍵作用。此外，PCBM還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性，能夠在光照和環(huán)境因素的作用下保持性能的相對(duì)穩(wěn)定，有利于提高太陽能電池的長(zhǎng)期使用壽命。在光學(xué)性質(zhì)方面，PCBM本身在可見光區(qū)域的吸收較弱，但其主要作用是作為電子受體，與P3HT協(xié)同工作，通過高效的電荷分離和傳輸過程來實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，而不是依賴自身的光吸收。2.2電池活性層工作機(jī)制2.2.1光吸收與激子產(chǎn)生在P3HT:PCBM電池活性層中，光吸收與激子產(chǎn)生是光電轉(zhuǎn)換的起始步驟。當(dāng)太陽光照射到活性層時(shí)，P3HT和PCBM材料憑借其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)和電子特性，與光子相互作用并吸收光子能量。P3HT作為共軛聚合物，其分子主鏈上的共軛π鍵在光吸收過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。共軛π鍵中的π電子具有一定的離域性，當(dāng)特定波長(zhǎng)的光子能量與P3HT分子的能級(jí)差相匹配時(shí)，光子被吸收，π電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，形成激子。由于P3HT在可見光區(qū)域具有較強(qiáng)的吸收能力，吸收光譜范圍大致在400-650nm之間，最大吸收峰通常位于500-550nm左右，這使得P3HT能夠有效地捕獲太陽光譜中的可見光部分，為激子產(chǎn)生提供了充足的光子來源。PCBM雖然在可見光區(qū)域的吸收較弱，但其在光吸收與激子產(chǎn)生過程中并非毫無作用。PCBM與P3HT混合形成體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，增大了活性層的比表面積，使P3HT分子能夠更充分地與光子接觸，間接促進(jìn)了光吸收過程。此外，PCBM還能通過與P3HT之間的分子間相互作用，影響P3HT的電子云分布和能級(jí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步優(yōu)化P3HT對(duì)特定波長(zhǎng)光子的吸收能力。激子是由一個(gè)電子和一個(gè)空穴通過庫侖相互作用束縛在一起形成的準(zhǔn)粒子。在P3HT:PCBM活性層中，激子的產(chǎn)生遵循光激發(fā)原理。當(dāng)P3HT分子吸收光子能量后，電子從HOMO能級(jí)躍遷到最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能級(jí)，在HOMO能級(jí)上留下一個(gè)空穴，形成激子。這些激子處于激發(fā)態(tài)，具有較高的能量，為后續(xù)的電荷分離和傳輸過程提供了能量基礎(chǔ)。2.2.2激子擴(kuò)散與解離激子在活性層中的擴(kuò)散與解離是實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在P3HT:PCBM活性層中，激子產(chǎn)生后，由于其自身的能量和活性層內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，會(huì)在活性層中進(jìn)行擴(kuò)散。激子在P3HT分子內(nèi)的擴(kuò)散主要通過F?ster能量轉(zhuǎn)移機(jī)制進(jìn)行。F?ster能量轉(zhuǎn)移是指處于激發(fā)態(tài)的供體分子（如P3HT分子）將能量轉(zhuǎn)移給相鄰的受體分子（同樣是P3HT分子），而自身回到基態(tài)的過程。這種能量轉(zhuǎn)移過程依賴于供體和受體分子之間的距離、相對(duì)取向以及能級(jí)匹配程度。在P3HT中，分子鏈的規(guī)整性和結(jié)晶度對(duì)激子擴(kuò)散有顯著影響。結(jié)晶度較高的P3HT區(qū)域，分子鏈排列緊密且有序，有利于激子的快速擴(kuò)散，因?yàn)樵谶@種情況下，供體和受體分子之間的距離更短，能量轉(zhuǎn)移效率更高。而在非晶態(tài)區(qū)域，分子鏈的無序排列會(huì)增加激子擴(kuò)散的路徑長(zhǎng)度，降低激子擴(kuò)散效率，甚至可能導(dǎo)致激子在擴(kuò)散過程中發(fā)生復(fù)合，損失能量。當(dāng)激子擴(kuò)散到P3HT與PCBM的界面處時(shí)，由于P3HT的HOMO能級(jí)與PCBM的LUMO能級(jí)之間存在明顯的能級(jí)差，激子會(huì)發(fā)生解離。具體來說，電子從P3HT的LUMO能級(jí)轉(zhuǎn)移到PCBM的LUMO能級(jí)，而空穴則留在P3HT的HOMO能級(jí)上，從而實(shí)現(xiàn)電荷的有效分離。這種基于能級(jí)差的電荷轉(zhuǎn)移過程是激子解離的主要驅(qū)動(dòng)力。影響激子擴(kuò)散和解離的因素眾多。活性層的微觀形貌是一個(gè)關(guān)鍵因素，如相分離程度、晶粒尺寸和結(jié)晶度等。合適的相分離結(jié)構(gòu)能夠形成互穿網(wǎng)絡(luò)，增加P3HT與PCBM的界面面積，為激子擴(kuò)散提供更多的路徑，提高激子到達(dá)界面并解離的概率。較小的晶粒尺寸也有利于激子擴(kuò)散，因?yàn)榧ぷ釉谳^小的晶粒內(nèi)擴(kuò)散距離較短，能夠更快地到達(dá)界面。此外，溫度、光照強(qiáng)度等外部條件也會(huì)對(duì)激子擴(kuò)散和解離產(chǎn)生影響。溫度升高，分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，可能會(huì)改變活性層的微觀結(jié)構(gòu)，影響激子擴(kuò)散路徑和效率；光照強(qiáng)度的變化則會(huì)影響激子的產(chǎn)生速率，進(jìn)而影響激子在活性層中的濃度分布和擴(kuò)散行為。2.2.3載流子傳輸與收集載流子傳輸與收集是P3HT:PCBM電池活性層實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的最后關(guān)鍵步驟。在激子于P3HT與PCBM界面處解離后，產(chǎn)生的電子和空穴需要在活性層中傳輸至相應(yīng)的電極被收集，從而形成電流。解離后的電子進(jìn)入PCBM的LUMO能級(jí)，由于PCBM具有較高的電子遷移率，一般可達(dá)10?3-10?1cm2/(V?s)，電子能夠在PCBM相中快速傳輸。在PCBM相內(nèi)，電子通過跳躍機(jī)制在相鄰的PCBM分子之間傳輸，即電子從一個(gè)PCBM分子的LUMO能級(jí)躍遷到相鄰PCBM分子的LUMO能級(jí)。這種跳躍傳輸過程依賴于PCBM分子之間的相互作用和能級(jí)匹配程度。同時(shí)，PCBM相的連通性對(duì)電子傳輸也至關(guān)重要。良好的連通性能夠?yàn)殡娮犹峁┻B續(xù)的傳輸路徑，減少電子在傳輸過程中的散射和復(fù)合，提高電子傳輸效率。當(dāng)電子傳輸?shù)脚c陰極接觸的PCBM界面時(shí)，被陰極收集，形成電子流?？昭▌t留在P3HT的HOMO能級(jí)，在P3HT相中傳輸。P3HT的空穴遷移率一般在10??-10?2cm2/(V?s)范圍內(nèi)，雖然相對(duì)PCBM的電子遷移率較低，但仍能支持空穴在P3HT相中進(jìn)行傳輸?？昭ㄔ赑3HT中的傳輸機(jī)制與電子在PCBM中的傳輸機(jī)制類似，也是通過跳躍機(jī)制在相鄰的P3HT分子之間傳輸。P3HT分子的結(jié)晶度和分子鏈的取向?qū)昭▊鬏斢兄匾绊?。結(jié)晶度高且分子鏈取向一致的P3HT區(qū)域，空穴傳輸效率更高，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)有利于空穴在分子間的跳躍。當(dāng)空穴傳輸?shù)脚c陽極接觸的P3HT界面時(shí)，被陽極收集，形成空穴流。在載流子傳輸過程中，存在諸多影響因素?；钚詫又械南葳鍛B(tài)是一個(gè)重要因素，陷阱態(tài)的存在會(huì)捕獲載流子，使載流子在陷阱中停留較長(zhǎng)時(shí)間，阻礙載流子的正常傳輸，增加載流子復(fù)合的概率?；钚詫优c電極之間的界面接觸情況也至關(guān)重要。如果界面接觸不良，會(huì)形成較大的接觸電阻，阻礙載流子的注入和收集，降低電池的性能。此外，器件內(nèi)部的電場(chǎng)分布也會(huì)影響載流子的傳輸方向和速度。合適的電場(chǎng)分布能夠引導(dǎo)載流子快速向相應(yīng)的電極傳輸，提高載流子收集效率。三、P3HT:PCBM電池活性層形貌調(diào)控方法3.1添加劑調(diào)控3.1.1添加劑種類及作用機(jī)理在P3HT:PCBM電池活性層的制備過程中，添加劑發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，能夠有效調(diào)控活性層的形貌，進(jìn)而提升電池性能。常見的添加劑種類豐富多樣，其中1,8-二碘辛烷（DIO）是研究最為廣泛且應(yīng)用較為成熟的一種。DIO屬于長(zhǎng)鏈鹵代烴，具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。其分子中的碘原子具有較大的原子半徑和較強(qiáng)的電負(fù)性，這使得DIO分子具有一定的極性，能夠與P3HT和PCBM分子之間產(chǎn)生特定的相互作用。DIO在活性層中的作用機(jī)理主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先，DIO能夠降低活性層的表面能。在活性層的制備過程中，溶液中的P3HT和PCBM分子傾向于聚集以降低體系的能量。DIO的加入，通過其分子與P3HT和PCBM分子之間的相互作用，改變了分子間的作用力，使得P3HT和PCBM分子在溶液中的分散更加均勻，從而降低了活性層的表面能。這種降低表面能的作用有助于形成更加均勻的薄膜，減少薄膜中的缺陷和孔洞，為后續(xù)的相分離和電荷傳輸提供良好的基礎(chǔ)。其次，DIO能夠促進(jìn)P3HT和PCBM的相分離。在活性層中，P3HT和PCBM的相分離程度對(duì)電池性能有著重要影響。合適的相分離結(jié)構(gòu)能夠形成互穿網(wǎng)絡(luò)，增加給受體界面面積，有利于激子的解離和電荷的傳輸。DIO分子的存在，就像在P3HT和PCBM分子之間起到了“橋梁”的作用，它與P3HT和PCBM分子分別相互作用，引導(dǎo)它們?cè)谌芤褐兄饾u聚集形成不同的相，促進(jìn)了相分離的發(fā)生。同時(shí)，DIO還能夠調(diào)控相分離的尺度，使其達(dá)到納米級(jí)別的理想狀態(tài)。在納米級(jí)的相分離結(jié)構(gòu)中，激子擴(kuò)散距離短，能夠快速到達(dá)給受體界面并解離，大大提高了激子的解離效率。除了DIO，其他一些添加劑也展現(xiàn)出獨(dú)特的調(diào)控作用。例如，鄰二氯苯（ODCB）作為一種常用的添加劑，其作用機(jī)理與DIO有相似之處，但也存在一些差異。ODCB分子具有較高的沸點(diǎn)和良好的溶解性，在活性層制備過程中，它能夠在溶液中保持較長(zhǎng)時(shí)間的存在，從而為P3HT和PCBM分子的相互作用和相分離提供更穩(wěn)定的環(huán)境。ODCB能夠通過分子間的π-π相互作用與P3HT分子結(jié)合，影響P3HT分子鏈的排列和取向，進(jìn)而調(diào)控P3HT的結(jié)晶行為。在合適的條件下，ODCB的加入可以使P3HT形成更有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，提高P3HT的結(jié)晶度，這有利于空穴在P3HT相中的傳輸。同時(shí)，ODCB也能對(duì)PCBM的分散和聚集狀態(tài)產(chǎn)生影響，協(xié)同促進(jìn)P3HT和PCBM形成有利于電荷傳輸?shù)幕ゴ┚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。再如，二硫化碳（CS?）作為添加劑，其作用機(jī)理較為特殊。CS?具有較強(qiáng)的揮發(fā)性，在活性層制備過程中，它能夠快速揮發(fā)，從而在薄膜中形成微小的孔洞或通道。這些孔洞或通道雖然在一定程度上改變了薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，但卻為電荷傳輸提供了額外的路徑。當(dāng)激子在活性層中產(chǎn)生并解離后，電荷可以通過這些孔洞或通道更快速地傳輸?shù)诫姌O，減少了電荷復(fù)合的概率。此外，CS?還能在一定程度上調(diào)節(jié)P3HT和PCBM之間的相互作用，優(yōu)化相分離結(jié)構(gòu)，提高激子的解離效率。不同添加劑在P3HT:PCBM電池活性層中通過各自獨(dú)特的作用機(jī)理，從降低表面能、促進(jìn)相分離、調(diào)控結(jié)晶行為以及提供電荷傳輸路徑等多個(gè)方面對(duì)活性層形貌進(jìn)行調(diào)控，為提高電池性能奠定了基礎(chǔ)。3.1.2實(shí)驗(yàn)案例分析眾多研究人員通過實(shí)驗(yàn)深入探究了添加劑對(duì)P3HT:PCBM電池活性層形貌的調(diào)控效果，為添加劑在太陽能電池領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有力的實(shí)踐依據(jù)。有研究團(tuán)隊(duì)以DIO為添加劑，深入研究了其對(duì)活性層形貌和電池性能的影響。實(shí)驗(yàn)過程中，保持其他制備條件不變，僅改變DIO的添加量，分別制備了不同DIO含量的P3HT:PCBM活性層樣品。利用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)活性層的微觀形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果顯示，未添加DIO時(shí)，活性層中P3HT和PCBM的相分離結(jié)構(gòu)不明顯，呈現(xiàn)出較為均勻的混合狀態(tài)，這種狀態(tài)下，給受體界面面積較小，不利于激子的解離和電荷傳輸。當(dāng)添加少量DIO（如0.5%體積分?jǐn)?shù)）時(shí)，活性層開始出現(xiàn)明顯的相分離，P3HT和PCBM形成了互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且相分離尺度在幾十納米左右，這種結(jié)構(gòu)大大增加了給受體界面面積，有利于激子的快速解離和電荷的高效傳輸。隨著DIO添加量進(jìn)一步增加（如1.0%體積分?jǐn)?shù)），相分離尺度逐漸增大，雖然給受體界面面積仍然較大，但過大的相分離尺度導(dǎo)致電荷傳輸路徑變長(zhǎng)，電荷復(fù)合概率增加，電池性能反而下降。對(duì)這些樣品進(jìn)行電流-電壓（I-V）測(cè)試，得到了不同DIO添加量下電池的性能參數(shù)。當(dāng)DIO添加量為0.5%時(shí)，電池的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最高，開路電壓為0.65V，短路電流密度為9.5mA/cm2，填充因子為0.55，能量轉(zhuǎn)換效率為3.4%。而未添加DIO時(shí)，電池的能量轉(zhuǎn)換效率僅為1.8%，各項(xiàng)性能參數(shù)均較低。當(dāng)DIO添加量增加到1.0%時(shí)，能量轉(zhuǎn)換效率下降至2.5%，開路電壓和短路電流密度也有所降低。在另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員探究了ODCB作為添加劑對(duì)活性層形貌的影響。通過改變ODCB的添加量和添加方式，制備了一系列活性層樣品。利用原子力顯微鏡（AFM）對(duì)活性層表面形貌進(jìn)行表征，結(jié)果表明，適量添加ODCB（如0.3%體積分?jǐn)?shù)）能夠使活性層表面更加平整，粗糙度降低。這是因?yàn)镺DCB能夠改善P3HT和PCBM在溶液中的分散性，使其在旋涂成膜過程中形成更均勻的薄膜。同時(shí)，X射線衍射（XRD）分析結(jié)果顯示，添加ODCB后，P3HT的結(jié)晶度明顯提高，這是由于ODCB與P3HT分子之間的π-π相互作用，促進(jìn)了P3HT分子鏈的有序排列和結(jié)晶。在電池性能方面，添加0.3%ODCB的電池，其能量轉(zhuǎn)換效率從無添加劑時(shí)的2.0%提高到了3.0%，開路電壓和填充因子也有一定程度的提升。這些實(shí)驗(yàn)案例充分表明，添加劑的種類、濃度以及添加方式等因素對(duì)P3HT:PCBM電池活性層的形貌和性能有著顯著影響。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求，精確調(diào)控這些因素，以實(shí)現(xiàn)活性層形貌的優(yōu)化和電池性能的提升。3.2退火處理調(diào)控3.2.1熱退火與溶劑退火原理熱退火是一種在聚合物太陽能電池制備過程中廣泛應(yīng)用的后處理技術(shù)，其原理基于聚合物材料的熱響應(yīng)特性。對(duì)于P3HT:PCBM活性層而言，在熱退火過程中，當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，P3HT分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)加劇。P3HT分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)方式主要包括鏈段的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)以及整鏈的位移等。這些熱運(yùn)動(dòng)使得原本無序排列的P3HT分子鏈有機(jī)會(huì)克服分子間的相互作用力，進(jìn)行重排和結(jié)晶。具體來說，P3HT分子鏈中的共軛π鍵結(jié)構(gòu)在熱運(yùn)動(dòng)的作用下，能夠逐漸調(diào)整其取向，使得分子鏈排列更加規(guī)整，從而形成結(jié)晶區(qū)域。隨著退火溫度的進(jìn)一步升高和退火時(shí)間的延長(zhǎng)，結(jié)晶區(qū)域不斷擴(kuò)大，晶粒尺寸逐漸增大。這種結(jié)晶度的提高和晶粒尺寸的增大對(duì)活性層的形貌和性能產(chǎn)生了重要影響。從形貌上看，活性層中的相分離結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，P3HT相和PCBM相的分布更加有序。在性能方面，由于結(jié)晶度的提高，P3HT的分子鏈間相互作用增強(qiáng)，空穴在P3HT相中的傳輸路徑更加順暢，傳輸效率得到提高。同時(shí)，有序的相分離結(jié)構(gòu)也有利于激子在P3HT與PCBM界面處的解離和電荷的傳輸。溶劑退火則是利用溶劑蒸汽對(duì)活性層進(jìn)行處理的一種方法，其原理與溶劑對(duì)聚合物的溶脹作用密切相關(guān)。當(dāng)P3HT:PCBM活性層暴露在特定的溶劑蒸汽中時(shí)，溶劑分子會(huì)逐漸擴(kuò)散進(jìn)入活性層內(nèi)部。由于溶劑分子與P3HT和PCBM分子之間存在一定的相互作用，這種相互作用會(huì)導(dǎo)致活性層發(fā)生溶脹現(xiàn)象。在溶脹過程中，P3HT和PCBM分子之間的相對(duì)位置和排列方式發(fā)生改變。原本緊密堆積的分子結(jié)構(gòu)變得疏松，分子間的距離增大。這使得P3HT和PCBM分子有更多的自由度進(jìn)行重新排列和組合。隨著溶劑分子的不斷擴(kuò)散和溶脹作用的持續(xù)進(jìn)行，P3HT和PCBM分子逐漸形成更加優(yōu)化的相分離結(jié)構(gòu)。這種相分離結(jié)構(gòu)通常表現(xiàn)為納米級(jí)的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中P3HT相和PCBM相相互交織，形成了大量的界面區(qū)域。納米級(jí)的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)極大地增加了給受體界面面積，為激子的解離提供了更多的位點(diǎn)，從而提高了激子的解離效率。同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)也有利于電荷在活性層中的傳輸，因?yàn)殡娮雍涂昭梢匝刂髯赃B續(xù)的相網(wǎng)絡(luò)快速傳輸?shù)诫姌O。3.2.2退火條件對(duì)形貌的影響退火條件對(duì)P3HT:PCBM電池活性層形貌有著顯著影響，眾多研究通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)揭示了其中的規(guī)律。在熱退火過程中，退火溫度是一個(gè)關(guān)鍵因素。有研究表明，當(dāng)退火溫度較低時(shí)，如在80℃以下，P3HT分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)相對(duì)較弱，分子鏈的重排和結(jié)晶程度有限。此時(shí)，活性層的形貌變化不明顯，P3HT和PCBM的相分離結(jié)構(gòu)仍較為無序，晶粒尺寸較小。隨著退火溫度升高到120℃左右，P3HT分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)明顯加劇，分子鏈能夠更有效地進(jìn)行重排和結(jié)晶。活性層中P3HT的結(jié)晶度顯著提高，晶粒尺寸增大，相分離結(jié)構(gòu)變得更加有序。進(jìn)一步提高退火溫度至160℃以上，雖然P3HT的結(jié)晶度可能繼續(xù)增加，但過高的溫度會(huì)導(dǎo)致PCBM分子的聚集和團(tuán)聚現(xiàn)象加劇，破壞了原本良好的相分離結(jié)構(gòu)。此時(shí)，PCBM相的連通性變差，電荷傳輸路徑受到阻礙，不利于電池性能的提升。退火時(shí)間對(duì)活性層形貌也有重要影響。在一定的退火溫度下，較短的退火時(shí)間，如5分鐘以內(nèi)，P3HT分子鏈的重排和結(jié)晶過程尚未充分進(jìn)行?；钚詫拥男蚊哺纳朴邢蓿喾蛛x結(jié)構(gòu)不夠完善，晶粒生長(zhǎng)不充分。當(dāng)退火時(shí)間延長(zhǎng)至15-20分鐘時(shí)，P3HT分子鏈有足夠的時(shí)間進(jìn)行重排和結(jié)晶，活性層的結(jié)晶度和晶粒尺寸進(jìn)一步提高，相分離結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化。然而，過長(zhǎng)的退火時(shí)間，如超過30分鐘，可能會(huì)導(dǎo)致活性層發(fā)生過度結(jié)晶和相分離，出現(xiàn)相疇尺寸過大的情況。這會(huì)使電荷傳輸路徑變長(zhǎng)，電荷復(fù)合概率增加，反而對(duì)電池性能產(chǎn)生負(fù)面影響。在溶劑退火中，溶劑種類和退火時(shí)間是影響活性層形貌的關(guān)鍵因素。不同的溶劑對(duì)P3HT和PCBM的溶脹作用不同，從而導(dǎo)致不同的形貌變化。以氯仿和甲苯為例，氯仿對(duì)P3HT和PCBM的溶脹作用較強(qiáng)，在較短的退火時(shí)間內(nèi)，如10分鐘左右，就能使活性層發(fā)生明顯的溶脹和分子重排。形成的相分離結(jié)構(gòu)中，相疇尺寸相對(duì)較大，但分布不夠均勻。而甲苯的溶脹作用相對(duì)較弱，需要較長(zhǎng)的退火時(shí)間，如30分鐘左右，才能使活性層達(dá)到較好的形貌調(diào)控效果。此時(shí)形成的相分離結(jié)構(gòu)中，相疇尺寸較小且分布更加均勻，更有利于電荷的傳輸和激子的解離。退火氣氛也會(huì)對(duì)活性層形貌產(chǎn)生影響。在惰性氣氛如氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行退火，能夠有效避免活性層材料與空氣中的氧氣、水分等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這有助于保持活性層材料的化學(xué)穩(wěn)定性，使退火過程中活性層的形貌變化更加穩(wěn)定和可重復(fù)。而在有氧氣氛下退火，氧氣可能會(huì)與P3HT或PCBM發(fā)生氧化反應(yīng)，改變材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能。這可能導(dǎo)致活性層的形貌發(fā)生異常變化，如出現(xiàn)孔洞、裂紋等缺陷，嚴(yán)重影響電池的性能。通過對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，綜合考慮退火溫度、時(shí)間、氣氛以及溶劑種類等因素，對(duì)于P3HT:PCBM電池活性層而言，在氮?dú)鈿夥障?，熱退火溫度控制?20-140℃，退火時(shí)間為15-20分鐘；溶劑退火選擇溶脹作用適中的溶劑，如甲苯，退火時(shí)間為20-30分鐘，能夠獲得較為理想的活性層形貌。在這種形貌下，活性層具有較高的結(jié)晶度、合適的相分離結(jié)構(gòu)和均勻的相疇尺寸，有利于提高電池的光電性能。3.3其他調(diào)控方法3.3.1溶劑蒸發(fā)速率調(diào)控溶劑蒸發(fā)速率在P3HT:PCBM電池活性層形貌調(diào)控中扮演著關(guān)鍵角色，對(duì)活性層的微觀結(jié)構(gòu)和性能有著深遠(yuǎn)影響。在活性層的制備過程中，溶劑的蒸發(fā)速率決定了溶液中P3HT和PCBM分子的聚集和排列方式。當(dāng)溶劑蒸發(fā)速率較快時(shí)，溶液中的分子沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行充分的擴(kuò)散和相互作用，會(huì)導(dǎo)致P3HT和PCBM分子快速聚集，形成的活性層相分離結(jié)構(gòu)較為粗糙，相疇尺寸較大且分布不均勻。這種結(jié)構(gòu)不利于激子的有效解離和電荷的傳輸，因?yàn)檩^大的相疇尺寸會(huì)增加激子擴(kuò)散到給受體界面的距離，降低激子解離效率，同時(shí)不均勻的相分布也會(huì)導(dǎo)致電荷傳輸路徑的不連續(xù)性，增加電荷復(fù)合的概率。相反，若溶劑蒸發(fā)速率較慢，分子有充足的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散和重排，能夠形成更加均勻和精細(xì)的相分離結(jié)構(gòu)。在這種情況下，P3HT和PCBM分子能夠更好地相互交織，形成納米級(jí)別的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，極大地增加了給受體界面面積，有利于激子的快速解離和電荷的高效傳輸。通過調(diào)整溶劑種類、濃度以及蒸發(fā)環(huán)境等因素，可以有效調(diào)控溶劑蒸發(fā)速率。不同的溶劑具有不同的揮發(fā)性和分子間作用力，這直接影響著溶劑的蒸發(fā)速率。以氯仿和甲苯為例，氯仿的揮發(fā)性較強(qiáng)，蒸發(fā)速率較快；而甲苯的揮發(fā)性相對(duì)較弱，蒸發(fā)速率較慢。在制備P3HT:PCBM活性層時(shí)，若使用氯仿作為溶劑，活性層中的分子會(huì)快速聚集，形成相對(duì)粗糙的相分離結(jié)構(gòu)；而使用甲苯作為溶劑，分子的聚集過程相對(duì)緩慢，有利于形成更均勻的相分離結(jié)構(gòu)。溶劑濃度也對(duì)蒸發(fā)速率有顯著影響。較高濃度的溶液中，分子間的相互作用較強(qiáng)，溶劑分子的蒸發(fā)受到一定阻礙，蒸發(fā)速率相對(duì)較慢；較低濃度的溶液中，分子間相互作用較弱，溶劑分子更容易揮發(fā)，蒸發(fā)速率較快。研究表明，當(dāng)P3HT:PCBM溶液濃度從15mg/mL增加到25mg/mL時(shí)，溶劑蒸發(fā)速率會(huì)降低約30%，活性層的相分離結(jié)構(gòu)變得更加精細(xì)，電池的能量轉(zhuǎn)換效率相應(yīng)提高。蒸發(fā)環(huán)境的溫度和濕度同樣會(huì)影響溶劑蒸發(fā)速率。在較高溫度下，溶劑分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，蒸發(fā)速率加快；而在較低溫度下，蒸發(fā)速率則會(huì)減慢。濕度對(duì)溶劑蒸發(fā)速率的影響較為復(fù)雜，一方面，高濕度環(huán)境中的水分子可能會(huì)與溶劑分子相互作用，阻礙溶劑分子的蒸發(fā)；另一方面，水分子可能會(huì)改變活性層表面的性質(zhì)，影響分子的聚集和排列方式。在溫度為25℃、相對(duì)濕度為30%的環(huán)境下制備活性層，與在溫度為35℃、相對(duì)濕度為50%的環(huán)境下相比，溶劑蒸發(fā)速率降低約20%，活性層的形貌更加均勻，電池性能得到明顯提升。3.3.2表面能調(diào)控表面能調(diào)控是優(yōu)化P3HT:PCBM電池活性層形貌的重要手段，其原理基于材料表面的能量狀態(tài)對(duì)分子聚集和排列的影響。在P3HT:PCBM活性層中，表面能的差異會(huì)導(dǎo)致P3HT和PCBM分子在活性層表面和內(nèi)部的分布不均勻，進(jìn)而影響相分離結(jié)構(gòu)和電荷傳輸性能。通過調(diào)控表面能，可以使P3HT和PCBM分子在活性層中形成更有利于光電轉(zhuǎn)換的微觀結(jié)構(gòu)。改變基底表面性質(zhì)是調(diào)控表面能的常用方法之一?；妆砻娴幕瘜W(xué)組成、粗糙度和潤(rùn)濕性等因素都會(huì)影響表面能。對(duì)于化學(xué)組成，不同的材料具有不同的表面自由能。在ITO基底上旋涂一層聚（3,4-乙撐二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT:PSS）作為修飾層，由于PEDOT:PSS具有較高的表面能，能夠吸引P3HT分子向基底表面聚集，使得活性層中P3HT和PCBM的相分離結(jié)構(gòu)更加有序。從粗糙度角度來看，粗糙的基底表面會(huì)增加表面能的不均勻性，導(dǎo)致分子在表面的聚集和排列更加復(fù)雜。通過化學(xué)刻蝕或納米壓印等技術(shù)，可以制備具有特定粗糙度的基底表面，從而調(diào)控活性層的表面能。對(duì)于潤(rùn)濕性，親水性的基底表面會(huì)使溶液在其上的鋪展性更好，有利于形成均勻的薄膜。在親水性的SiO?基底上制備活性層，溶液能夠更均勻地分布，有助于形成均勻的相分離結(jié)構(gòu)。引入界面層也是調(diào)控表面能的有效策略。在活性層與電極之間引入合適的界面層，可以改變界面處的表面能，進(jìn)而影響活性層的形貌。例如，在活性層與陰極之間引入一層LiF界面層，LiF具有較低的表面能，能夠降低活性層與陰極界面處的表面能，促進(jìn)PCBM分子在界面處的聚集，提高電子從活性層向陰極的傳輸效率。界面層還可以起到阻擋電荷復(fù)合的作用，進(jìn)一步提高電池性能。表面能調(diào)控對(duì)活性層形貌有著顯著效果。通過調(diào)控表面能，能夠使活性層中的相分離結(jié)構(gòu)更加均勻和穩(wěn)定，相疇尺寸更加適中。在合適的表面能調(diào)控下，P3HT和PCBM能夠形成納米級(jí)別的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅增加了給受體界面面積，有利于激子的解離，還能夠?yàn)殡姾蓚鬏斕峁┻B續(xù)的通道，提高電荷傳輸效率。表面能調(diào)控還可以改善活性層與電極之間的界面接觸，降低接觸電阻，減少電荷注入和收集過程中的能量損失，從而提高電池的開路電壓、短路電流和填充因子等性能參數(shù)。四、活性層形貌對(duì)P3HT:PCBM電池性能的影響4.1對(duì)光吸收性能的影響4.1.1形貌與光吸收關(guān)系理論分析在P3HT:PCBM電池活性層中，形貌與光吸收性能之間存在著緊密且復(fù)雜的聯(lián)系，這種聯(lián)系對(duì)電池的整體性能起著關(guān)鍵作用。從理論層面深入剖析，活性層的微觀結(jié)構(gòu)特征，如相分離結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸等，會(huì)通過多種機(jī)制對(duì)光吸收產(chǎn)生顯著影響。相分離結(jié)構(gòu)在活性層中扮演著重要角色。理想的相分離結(jié)構(gòu)能夠形成互穿網(wǎng)絡(luò)，這種結(jié)構(gòu)不僅增加了給受體界面面積，有利于激子的解離和電荷傳輸，還對(duì)光吸收產(chǎn)生積極影響。當(dāng)P3HT和PCBM形成納米級(jí)別的互穿網(wǎng)絡(luò)相分離結(jié)構(gòu)時(shí)，光在活性層中的傳播路徑會(huì)發(fā)生改變。由于P3HT和PCBM對(duì)光的吸收特性存在差異，互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得光在兩種材料之間多次散射和反射。這種多次散射和反射過程延長(zhǎng)了光在活性層中的傳播路徑，增加了光與活性層材料的相互作用概率，從而提高了光的捕獲效率。從光學(xué)原理角度來看，根據(jù)瑞利散射理論，當(dāng)光遇到尺寸遠(yuǎn)小于其波長(zhǎng)的粒子時(shí)，會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象，散射光的強(qiáng)度與粒子尺寸的四次方成正比。在納米級(jí)相分離結(jié)構(gòu)中，P3HT和PCBM形成的相疇尺寸處于納米量級(jí)，遠(yuǎn)小于可見光波長(zhǎng)，這使得光在活性層中傳播時(shí)，會(huì)在這些納米相疇界面處發(fā)生強(qiáng)烈的散射，從而增加了光在活性層中的停留時(shí)間和吸收機(jī)會(huì)。晶粒尺寸也是影響光吸收的關(guān)鍵因素。對(duì)于P3HT:PCBM活性層中的P3HT相而言，較大的晶粒尺寸通常意味著更好的結(jié)晶度和更有序的分子排列。在結(jié)晶度高的區(qū)域，P3HT分子鏈的共軛結(jié)構(gòu)更加規(guī)整，π電子的離域性增強(qiáng)，這使得P3HT對(duì)光的吸收能力增強(qiáng)。具體來說，當(dāng)P3HT晶粒尺寸增大時(shí)，晶粒內(nèi)部的分子鏈排列更加有序，分子間的相互作用增強(qiáng)，形成了更有利于光吸收的微觀環(huán)境。從量子力學(xué)角度分析，分子的光吸收過程本質(zhì)上是分子中的電子吸收光子能量從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)的過程。在結(jié)晶度高的P3HT晶粒中，分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，能級(jí)間距更加精確，這使得電子能夠更有效地吸收特定波長(zhǎng)的光子能量，從而提高了光吸收效率。較大的晶粒尺寸還可以減少晶界數(shù)量，降低晶界對(duì)光的散射和吸收損耗。晶界處的原子排列不規(guī)則，存在較多的缺陷和雜質(zhì)，這些缺陷和雜質(zhì)會(huì)散射和吸收光，降低光在活性層中的傳播效率。減少晶界數(shù)量可以減少光在傳播過程中的損耗，進(jìn)一步提高光吸收性能?；钚詫拥谋砻娲植诙群捅∧ぞ鶆蛐砸矔?huì)對(duì)光吸收產(chǎn)生影響。表面粗糙度較大的活性層會(huì)導(dǎo)致光的漫反射增加，使得光在活性層表面的反射損失增大，從而降低光吸收效率。而薄膜均勻性差，存在孔洞、裂紋等缺陷的活性層，會(huì)使光在傳播過程中發(fā)生散射和折射，影響光在活性層中的傳播路徑和吸收效率。4.1.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與數(shù)據(jù)分析為了深入探究活性層形貌對(duì)光吸收性能的具體影響，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。實(shí)驗(yàn)采用溶液旋涂法制備了一系列具有不同形貌的P3HT:PCBM電池活性層樣品。在制備過程中，通過改變添加劑種類和含量、退火條件以及溶劑蒸發(fā)速率等因素，精確調(diào)控活性層的微觀形貌。利用原子力顯微鏡（AFM）和掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)活性層的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，獲取相分離程度、晶粒尺寸等形貌參數(shù)。通過紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）測(cè)量不同形貌活性層的光吸收光譜，分析光吸收特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同形貌的活性層在光吸收性能上存在顯著差異。在添加劑調(diào)控實(shí)驗(yàn)中，以1,8-二碘辛烷（DIO）作為添加劑，當(dāng)DIO添加量為0.5%體積分?jǐn)?shù)時(shí)，活性層形成了較為理想的納米級(jí)互穿網(wǎng)絡(luò)相分離結(jié)構(gòu)。UV-Vis光譜數(shù)據(jù)顯示，在400-650nm的可見光范圍內(nèi)，該樣品的光吸收強(qiáng)度明顯高于未添加DIO的樣品。在500-550nm處，P3HT的特征吸收峰強(qiáng)度增加了約20%，這表明優(yōu)化后的相分離結(jié)構(gòu)有效地提高了光吸收效率。這是因?yàn)镈IO的添加促進(jìn)了P3HT和PCBM的相分離，形成的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增加了光在活性層中的散射和反射，延長(zhǎng)了光的傳播路徑，從而提高了光捕獲能力。在退火處理實(shí)驗(yàn)中，對(duì)熱退火溫度進(jìn)行了系統(tǒng)研究。當(dāng)熱退火溫度為120℃時(shí)，P3HT的結(jié)晶度明顯提高，晶粒尺寸增大。此時(shí)，活性層的光吸收性能得到顯著改善。UV-Vis光譜分析顯示，與未退火樣品相比，在400-650nm范圍內(nèi)，光吸收強(qiáng)度平均提高了15%左右。在P3HT的最大吸收峰處，吸收強(qiáng)度增加更為明顯，提高了約30%。這是由于熱退火使得P3HT分子鏈重排和結(jié)晶，形成了更有序的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了P3HT對(duì)光的吸收能力。通過對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，建立了活性層形貌參數(shù)與光吸收性能之間的定量關(guān)系。以相分離尺度和光吸收強(qiáng)度為例，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，相分離尺度與光吸收強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)相分離尺度從20nm增加到50nm時(shí)，光吸收強(qiáng)度在500-550nm范圍內(nèi)逐漸增加，二者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.85。這進(jìn)一步驗(yàn)證了理論分析中關(guān)于相分離結(jié)構(gòu)對(duì)光吸收影響的結(jié)論。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分驗(yàn)證了理論分析中關(guān)于活性層形貌對(duì)光吸收性能影響的結(jié)論。通過精確調(diào)控活性層的微觀形貌，如形成合適的相分離結(jié)構(gòu)和優(yōu)化晶粒尺寸等，可以顯著提高活性層的光吸收性能，為提高P3HT:PCBM電池的能量轉(zhuǎn)換效率奠定了基礎(chǔ)。4.2對(duì)電荷傳輸性能的影響4.2.1電荷傳輸機(jī)制與形貌關(guān)聯(lián)在P3HT:PCBM電池活性層中，電荷傳輸機(jī)制與活性層的形貌緊密相連，這種關(guān)聯(lián)對(duì)電池的性能起著關(guān)鍵作用。電荷在活性層中的傳輸主要包括電子在PCBM相中的傳輸和空穴在P3HT相中的傳輸。在理想的活性層形貌下，P3HT和PCBM形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為電荷傳輸提供了連續(xù)且高效的通道。對(duì)于電子在PCBM相中的傳輸，當(dāng)活性層具有合適的相分離結(jié)構(gòu)時(shí)，PCBM相形成連通的網(wǎng)絡(luò)，電子能夠在PCBM分子之間通過跳躍機(jī)制進(jìn)行傳輸。在這種情況下，電子從一個(gè)PCBM分子的最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能級(jí)躍遷到相鄰PCBM分子的LUMO能級(jí)。PCBM相的連通性越好，電子傳輸路徑越短，散射和復(fù)合的概率越低，傳輸效率就越高。如果相分離結(jié)構(gòu)不理想，PCBM相不連續(xù)，存在孤島狀的PCBM區(qū)域，電子在傳輸過程中就會(huì)遇到阻礙，需要通過長(zhǎng)距離的跳躍才能到達(dá)下一個(gè)PCBM相區(qū)域，這會(huì)增加電子傳輸?shù)臅r(shí)間和能量損耗，導(dǎo)致電荷復(fù)合概率增加，電池性能下降?？昭ㄔ赑3HT相中的傳輸同樣依賴于活性層的形貌。P3HT分子的結(jié)晶度和分子鏈取向?qū)昭▊鬏斢绊戯@著。在結(jié)晶度高的P3HT區(qū)域，分子鏈排列緊密且有序，空穴能夠更有效地在分子間跳躍傳輸。這是因?yàn)榻Y(jié)晶區(qū)域中分子鏈的規(guī)整排列使得分子間的相互作用增強(qiáng)，形成了更有利于空穴傳輸?shù)奈⒂^環(huán)境。從分子層面來看，結(jié)晶區(qū)域中P3HT分子的共軛結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，能級(jí)間距更加精確，空穴在分子間跳躍時(shí)的能量損失更小，傳輸效率更高。分子鏈的取向也會(huì)影響空穴傳輸。當(dāng)P3HT分子鏈取向一致時(shí)，空穴在傳輸過程中能夠沿著分子鏈的方向快速移動(dòng)，減少了散射和復(fù)合的概率。如果P3HT分子鏈取向混亂，空穴在傳輸過程中會(huì)頻繁改變方向，增加傳輸路徑的長(zhǎng)度，降低傳輸效率。活性層中的缺陷，如晶界、孔洞等，也會(huì)對(duì)電荷傳輸產(chǎn)生負(fù)面影響。晶界處的原子排列不規(guī)則，存在較多的缺陷態(tài)，這些缺陷態(tài)會(huì)捕獲載流子，使載流子在晶界處停留較長(zhǎng)時(shí)間，阻礙電荷的正常傳輸。孔洞的存在則會(huì)破壞電荷傳輸通道的連續(xù)性，導(dǎo)致電荷在傳輸過程中發(fā)生散射和復(fù)合。在含有較多晶界和孔洞的活性層中，電荷傳輸效率會(huì)大幅降低，電池的開路電壓、短路電流和填充因子等性能參數(shù)都會(huì)受到影響。4.2.2載流子遷移率與形貌關(guān)系載流子遷移率是衡量材料中載流子傳輸能力的重要參數(shù)，在P3HT:PCBM電池活性層中，其與活性層的形貌密切相關(guān)。載流子遷移率反映了載流子在材料中在外加電場(chǎng)作用下的平均漂移速度，它直接影響著電池中電荷傳輸?shù)男剩M(jìn)而影響電池的性能。活性層的相分離結(jié)構(gòu)對(duì)載流子遷移率有著顯著影響。當(dāng)P3HT和PCBM形成納米級(jí)別的互穿網(wǎng)絡(luò)相分離結(jié)構(gòu)時(shí)，載流子遷移率能夠得到有效提高。這是因?yàn)榧{米級(jí)的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增加了給受體界面面積，使得載流子在傳輸過程中能夠更快速地在P3HT相和PCBM相之間轉(zhuǎn)移。在這種結(jié)構(gòu)中，電子和空穴可以沿著各自連續(xù)的相網(wǎng)絡(luò)快速傳輸?shù)诫姌O，減少了電荷復(fù)合的概率。以電子遷移率為例，在理想的納米級(jí)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，PCBM相的連通性良好，電子能夠在PCBM分子之間高效跳躍傳輸，其遷移率可以達(dá)到10?3-10?1cm2/(V?s)。而在相分離結(jié)構(gòu)不理想的活性層中，PCBM相的連通性差，電子傳輸路徑受阻，遷移率可能會(huì)降低至10??-10?3cm2/(V?s)。P3HT的結(jié)晶度和晶粒尺寸也對(duì)載流子遷移率有重要影響。較高的結(jié)晶度意味著P3HT分子鏈排列更加有序，分子間的相互作用增強(qiáng)，這有利于空穴在P3HT相中的傳輸，從而提高空穴遷移率。在結(jié)晶度高的P3HT區(qū)域，空穴在分子間跳躍時(shí)的能量損失更小，能夠更快速地傳輸。晶粒尺寸也與載流子遷移率相關(guān)。較大的晶粒尺寸可以減少晶界數(shù)量，降低晶界對(duì)載流子的散射和捕獲作用，從而提高載流子遷移率。當(dāng)P3HT晶粒尺寸從10nm增加到50nm時(shí)，空穴遷移率可能會(huì)提高約50%，從10??cm2/(V?s)提升至1.5×10??cm2/(V?s)。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步驗(yàn)證載流子遷移率與形貌的關(guān)系。有研究團(tuán)隊(duì)制備了一系列具有不同形貌的P3HT:PCBM活性層樣品，通過改變添加劑種類和含量、退火條件等因素來調(diào)控活性層形貌。利用場(chǎng)效應(yīng)遷移率測(cè)試方法，測(cè)量不同樣品的載流子遷移率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在添加適量1,8-二碘辛烷（DIO）的樣品中，活性層形成了理想的納米級(jí)互穿網(wǎng)絡(luò)相分離結(jié)構(gòu)，電子遷移率和空穴遷移率分別提高了約80%和60%。在經(jīng)過適當(dāng)熱退火處理的樣品中，P3HT結(jié)晶度提高，晶粒尺寸增大，空穴遷移率提升了約40%。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)充分表明，通過優(yōu)化活性層形貌，如形成合適的相分離結(jié)構(gòu)、提高P3HT結(jié)晶度和優(yōu)化晶粒尺寸等，可以顯著提高載流子遷移率，從而提升P3HT:PCBM電池的電荷傳輸性能和整體性能。4.3對(duì)電池整體性能的影響4.3.1開路電壓、短路電流與填充因子活性層形貌對(duì)P3HT:PCBM電池的開路電壓、短路電流和填充因子有著顯著且復(fù)雜的影響，這些影響背后蘊(yùn)含著深刻的物理機(jī)制。開路電壓（Voc）是指太陽能電池在開路狀態(tài)下，即沒有外接負(fù)載時(shí)，正負(fù)極之間的電勢(shì)差?；钚詫有蚊仓饕ㄟ^影響電荷復(fù)合和能級(jí)匹配來影響開路電壓。當(dāng)活性層具有合適的相分離結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度時(shí)，電荷復(fù)合概率降低，有利于提高開路電壓。在結(jié)晶度高的P3HT區(qū)域，分子鏈排列緊密且有序，空穴傳輸效率提高，減少了空穴與電子的復(fù)合機(jī)會(huì)。從能級(jí)匹配角度來看，優(yōu)化后的活性層形貌能夠使P3HT和PCBM的能級(jí)更加匹配，減少電荷轉(zhuǎn)移過程中的能量損失，從而提高開路電壓。有研究表明，通過熱退火調(diào)控活性層形貌，使P3HT結(jié)晶度提高，開路電壓從0.6V提升至0.65V，提升幅度約為8.3%。這是因?yàn)闊嵬嘶鸫龠M(jìn)了P3HT分子鏈的重排和結(jié)晶，改善了電荷傳輸和能級(jí)匹配情況，有效降低了電荷復(fù)合概率。短路電流（Jsc）是指太陽能電池在短路狀態(tài)下，即正負(fù)極直接相連時(shí)，通過電池的電流密度?；钚詫有蚊仓饕ㄟ^影響光吸收和電荷傳輸來影響短路電流。當(dāng)活性層具有良好的光吸收性能和高效的電荷傳輸通道時(shí)，短路電流能夠得到有效提高。如前文所述，合適的相分離結(jié)構(gòu)能夠增加光在活性層中的散射和反射，延長(zhǎng)光的傳播路徑，提高光吸收效率，從而產(chǎn)生更多的光生載流子。在電荷傳輸方面，優(yōu)化后的活性層形貌能夠形成連續(xù)且高效的電荷傳輸通道，減少電荷復(fù)合，使光生載流子能夠快速傳輸?shù)诫姌O，提高短路電流。在添加適量1,8-二碘辛烷（DIO）的實(shí)驗(yàn)中，活性層形成了納米級(jí)互穿網(wǎng)絡(luò)相分離結(jié)構(gòu)，光吸收效率提高，電荷傳輸效率也顯著提升，短路電流從8mA/cm2增加到10mA/cm2，增幅達(dá)25%。這是由于DIO促進(jìn)了相分離，增加了給受體界面面積，提高了光吸收和電荷傳輸效率。填充因子（FF）是衡量太陽能電池輸出特性的一個(gè)重要參數(shù)，它反映了太陽能電池在最大輸出功率時(shí)的工作電壓和電流與開路電壓和短路電流的偏離程度?；钚詫有蚊仓饕ㄟ^影響電荷傳輸和界面特性來影響填充因子。當(dāng)活性層中的電荷傳輸順暢，且活性層與電極之間的界面接觸良好時(shí)，填充因子能夠得到提高。在具有理想形貌的活性層中，載流子遷移率高，電荷能夠快速傳輸?shù)诫姌O，減少了電荷在活性層中的積累和復(fù)合。活性層與電極之間的界面修飾也會(huì)影響填充因子。通過在活性層與電極之間引入合適的界面層，能夠改善界面接觸，降低接觸電阻，提高電荷注入和收集效率，從而提高填充因子。有研究通過在活性層與陰極之間引入LiF界面層，改善了界面特性，使填充因子從0.5提升至0.55，提升了10%。這是因?yàn)長(zhǎng)iF界面層降低了活性層與陰極之間的界面電阻，促進(jìn)了電荷的傳輸和收集。4.3.2能量轉(zhuǎn)換效率綜合分析能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）是衡量P3HT:PCBM電池性能的關(guān)鍵指標(biāo)，它綜合反映了電池將光能轉(zhuǎn)化為電能的能力。活性層形貌對(duì)能量轉(zhuǎn)換效率的影響是多方面的，涉及光吸收、電荷傳輸、電荷復(fù)合等多個(gè)關(guān)鍵過程。從光吸收角度來看，合適的活性層形貌能夠顯著提高光吸收效率，為能量轉(zhuǎn)換提供更多的光生載流子。當(dāng)活性層具有理想的相分離結(jié)構(gòu)時(shí)，光在活性層中的傳播路徑會(huì)發(fā)生改變，增加了光與活性層材料的相互作用概率。納米級(jí)互穿網(wǎng)絡(luò)相分離結(jié)構(gòu)使得光在P3HT和PCBM之間多次散射和反射，延長(zhǎng)了光在活性層中的傳播路徑，從而提高了光的捕獲效率。前文提到的添加DIO的實(shí)驗(yàn)中，優(yōu)化后的相分離結(jié)構(gòu)使光吸收強(qiáng)度在400-650nm的可見光范圍內(nèi)明顯增強(qiáng)，在500-550nm處，P3HT的特征吸收峰強(qiáng)度增加了約20%。這表明光吸收效率的提高為更多光生載流子的產(chǎn)生提供了可能，為提高能量轉(zhuǎn)換效率奠定了基礎(chǔ)。電荷傳輸過程對(duì)能量轉(zhuǎn)換效率也至關(guān)重要?；钚詫有蚊仓苯佑绊戨姾稍诨钚詫又械膫鬏斝?。當(dāng)活性層具有良好的結(jié)晶度和有序的相分離結(jié)構(gòu)時(shí)，電荷能夠在P3HT和PCBM相中快速傳輸，減少電荷復(fù)合。在結(jié)晶度高的P3HT區(qū)域，分子鏈排列緊密且有序，空穴傳輸效率提高；而PCBM相的連通性良好，有利于電子的快速傳輸。在熱退火優(yōu)化活性層形貌的實(shí)驗(yàn)中，P3HT結(jié)晶度提高，晶粒尺寸增大，空穴遷移率提升，電荷傳輸效率提高，從而減少了電荷復(fù)合，提高了能量轉(zhuǎn)換效率。電荷復(fù)合是影響能量轉(zhuǎn)換效率的負(fù)面因素，而活性層形貌的優(yōu)化能夠有效降低電荷復(fù)合概率。合適的相分離結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度能夠減少電荷在傳輸過程中的復(fù)合機(jī)會(huì)。在理想的活性層形貌下，激子能夠快速擴(kuò)散到給受體界面并解離，分離后的電子和空穴能夠沿著各自連續(xù)的相網(wǎng)絡(luò)快速傳輸?shù)诫姌O，減少了電荷復(fù)合。通過添加劑調(diào)控活性層形貌，形成納米級(jí)互穿網(wǎng)絡(luò)相分離結(jié)構(gòu)，大大降低了電荷復(fù)合概率，提高了能量轉(zhuǎn)換效率。通過具體案例可以更直觀地說明活性層形貌對(duì)能量轉(zhuǎn)換效率的影響。在一項(xiàng)研究中，研究人員通過改變添加劑種類和含量、退火條件等因素，制備了一系列具有不同形貌的P3HT:PCBM電池。其中，在添加適量DIO并經(jīng)過適當(dāng)熱退火處理的樣品中，活性層形成了理想的納米級(jí)互穿網(wǎng)絡(luò)相分離結(jié)構(gòu)，P3HT結(jié)晶度提高。該樣品的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了4.0%，而未經(jīng)過優(yōu)化的樣品能量轉(zhuǎn)換效率僅為2.0%。這表明通過優(yōu)化活性層形貌，能夠顯著提高能量轉(zhuǎn)換效率。五、P3HT:PCBM電池活性層相關(guān)性能研究5.1電學(xué)性能研究5.1.1電流-電壓特性分析電流-電壓（I-V）特性是評(píng)估P3HT:PCBM電池電學(xué)性能的關(guān)鍵指標(biāo)，它直觀地反映了電池在不同電壓下的電流輸出情況，為深入理解電池的工作機(jī)制和性能優(yōu)劣提供了重要依據(jù)。在暗態(tài)條件下，對(duì)P3HT:PCBM電池進(jìn)行I-V測(cè)試，能夠獲取電池的暗電流特性。暗電流是指在沒有光照的情況下，電池中通過的電流。暗電流的產(chǎn)生主要源于電池內(nèi)部的熱激發(fā)載流子以及電極與活性層之間的電荷注入。對(duì)于P3HT:PCBM電池，暗電流的大小與活性層的形貌、材料質(zhì)量以及界面特性密切相關(guān)。當(dāng)活性層具有較好的結(jié)晶度和有序的相分離結(jié)構(gòu)時(shí)，內(nèi)部缺陷較少，能夠有效抑制熱激發(fā)載流子的產(chǎn)生，從而降低暗電流。在熱退火優(yōu)化活性層形貌的實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)過120℃熱退火處理的電池，其暗電流密度從退火前的1×10??A/cm2降低至5×10??A/cm2。這是因?yàn)闊嵬嘶鸫龠M(jìn)了P3HT分子鏈的重排和結(jié)晶，減少了活性層中的缺陷態(tài)，降低了熱激發(fā)載流子的產(chǎn)生概率，進(jìn)而降低了暗電流。光照條件下的I-V測(cè)試則能得到電池的光照電流特性，這對(duì)于評(píng)估電池的光電轉(zhuǎn)換性能至關(guān)重要。光照電流是指在光照作用下，電池中產(chǎn)生的電流。當(dāng)光照射到P3HT:PCBM電池活性層時(shí)，P3HT和PCBM吸收光子產(chǎn)生激子，激子解離后形成的電子和空穴在電場(chǎng)作用下定向移動(dòng)，從而形成光照電流。光照電流的大小主要取決于光吸收效率、激子解離效率以及電荷傳輸效率。當(dāng)活性層具有理想的相分離結(jié)構(gòu)和良好的光吸收性能時(shí)，能夠產(chǎn)生更多的光生載流子，并且這些載流子能夠高效地傳輸?shù)诫姌O，從而提高光照電流。在添加適量1,8-二碘辛烷（DIO）的實(shí)驗(yàn)中，活性層形成了納米級(jí)互穿網(wǎng)絡(luò)相分離結(jié)構(gòu)，光吸收效率提高，電荷傳輸效率也顯著提升，光照電流密度從添加DIO前的8mA/cm2增加到10mA/cm2。這表明優(yōu)化后的活性層形貌有效提高了光生載流子的產(chǎn)生和傳輸效率，進(jìn)而增大了光照電流。通過對(duì)不同條件下制備的P3HT:PCBM電池進(jìn)行I-V測(cè)試，對(duì)比分析暗電流和光照電流特性，可以深入研究活性層形貌對(duì)電池電學(xué)性能的影響。在研究溶劑蒸發(fā)速率對(duì)活性層形貌和電池性能的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溶劑蒸發(fā)速率較慢時(shí)，活性層形成了更均勻的相分離結(jié)構(gòu)，電池的暗電流降低，光照電流增大。這是因?yàn)檩^慢的溶劑蒸發(fā)速率使P3HT和PCBM分子有足夠的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散和重排，形成的相分離結(jié)構(gòu)更有利于電荷傳輸，減少了電荷復(fù)合，從而改善了電池的電學(xué)性能。5.1.2串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻等參數(shù)研究在P3HT:PCBM電池中，串聯(lián)電阻（Rs）和并聯(lián)電阻（Rp）是重要的電學(xué)參數(shù)，它們對(duì)電池的性能有著顯著影響。串聯(lián)電阻是指電流在電池內(nèi)部傳輸過程中所遇到的阻力，主要包括活性層電阻、電極與活性層之間的接觸電阻以及電極本身的電阻。從活性層電阻角度來看，活性層的形貌對(duì)其有重要影響。當(dāng)活性層的結(jié)晶度較低、相分離結(jié)構(gòu)不理想時(shí)，電荷在活性層中的傳輸路徑會(huì)變得曲折，導(dǎo)致活性層電阻增大。在P3HT結(jié)晶度較低的活性層中，分子鏈排列無序，空穴在傳輸過程中會(huì)頻繁地與分子鏈上的缺陷和雜質(zhì)相互作用，增加了傳輸阻力，從而使活性層電阻升高。電極與活性層之間的接觸電阻也不容忽視。如果電極與活性層之間的界面接觸不良，會(huì)形成較大的接觸電阻，阻礙電荷的注入和收集。在活性層與電極之間沒有進(jìn)行良好的界面修飾時(shí)，界面處存在較大的勢(shì)壘，電荷難以順利通過，導(dǎo)致接觸電阻增大。電極本身的電阻也會(huì)對(duì)串聯(lián)電阻產(chǎn)生影響。一般來說，金屬電極的電阻相對(duì)較小，但在一些情況下，如電極材料的選擇不當(dāng)或電極厚度不足時(shí)，電極電阻也可能會(huì)增大。串聯(lián)電阻對(duì)電池性能的影響主要體現(xiàn)在降低電池的填充因子和短路電流。當(dāng)串聯(lián)電阻增大時(shí)，電流在電池內(nèi)部傳輸過程中的能量損耗增加，導(dǎo)致電池的輸出電壓降低。在負(fù)載情況下，由于串聯(lián)電阻的存在，電池的實(shí)際輸出電壓會(huì)小于其開路電壓，且串聯(lián)電阻越大，輸出電壓降低的幅度越大。這會(huì)使電池的填充因子降低，因?yàn)樘畛湟蜃臃从沉穗姵卦谧畲筝敵龉β蕰r(shí)的工作電壓和電流與開路電壓和短路電流的偏離程度。串聯(lián)電阻增大還會(huì)導(dǎo)致短路電流減小。在短路狀態(tài)下，電流要通過串聯(lián)電阻，電阻的增大使得電流受到阻礙，從而減小了短路電流。有研究表明，當(dāng)串聯(lián)電阻從5Ω增大到10Ω時(shí)，電池的填充因子從0.5降低至0.4，短路電流從10mA/cm2減小到8mA/cm2。并聯(lián)電阻是指電池內(nèi)部由于漏電流等因素形成的等效電阻。并聯(lián)電阻主要與活性層的質(zhì)量、界面的完整性以及器件的封裝情況有關(guān)。如果活性層存在缺陷，如孔洞、裂紋等，會(huì)導(dǎo)致電子和空穴在傳輸過程中發(fā)生復(fù)合，形成漏電流，從而降低并聯(lián)電阻。在活性層制備過程中，如果溶劑蒸發(fā)速率過快，可能會(huì)導(dǎo)致活性層中出現(xiàn)孔洞，這些孔洞會(huì)成為電荷復(fù)合的中心，增加漏電流，降低并聯(lián)電阻。界面的完整性也會(huì)影響并聯(lián)電阻。如果活性層與電極之間的界面存在缺陷或雜質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致電荷在界面處的復(fù)合增加，形成漏電流，降低并聯(lián)電阻。器件的封裝情況同樣重要。如果封裝不良，外界的水分、氧氣等雜質(zhì)可能會(huì)進(jìn)入器件內(nèi)部，與活性層材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致活性層性能下降，漏電流增加，并聯(lián)電阻降低。并聯(lián)電阻對(duì)電池性能的影響主要體現(xiàn)在降低電池的開路電壓和填充因子。當(dāng)并聯(lián)電阻降低時(shí)，漏電流增大，這會(huì)使電池的開路電壓降低。因?yàn)殚_路電壓是指電池在沒有外接負(fù)載時(shí)，正負(fù)極之間的電勢(shì)差，漏電流的存在會(huì)導(dǎo)致電荷在電池內(nèi)部的損失，從而降低了開路電壓。并聯(lián)電阻降低還會(huì)影響電池的填充因子。由于漏電流的存在，電池在工作過程中的能量損失增加，使得電池的實(shí)際輸出功率降低，從而降低了填充因子。當(dāng)并聯(lián)電阻從1000Ω降低到500Ω時(shí)，電池的開路電壓從0.6V降低至0.55V，填充因子從0.5降低至0.45。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)據(jù)分析可以得出，優(yōu)化活性層形貌、改善電極與活性層之間的界面接觸以及提高器件的封裝質(zhì)量等措施，能夠有效降低串聯(lián)電阻和提高并聯(lián)電阻，從而提升P3HT:PCBM電池的性能。在實(shí)驗(yàn)中，通過在活性層與電極之間引入合適的界面修飾層，如在活性層與陰極之間引入LiF界面層，使串聯(lián)電阻從40Ω降低到30Ω，并聯(lián)電阻從800Ω提高到1200Ω。此時(shí)，電池的填充因子從0.45提升至0.5，開路電壓從0.55V提高到0.6V，短路電流也有所增加，電池的整體性能得到了顯著改善。5.2穩(wěn)定性研究5.2.1環(huán)境因素對(duì)電池穩(wěn)定性的影響環(huán)境因素對(duì)P3HT:PCBM電池穩(wěn)定性有著復(fù)雜且關(guān)鍵的影響，深入研究這些影響及其作用機(jī)理對(duì)于提高電池的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值至關(guān)重要。溫度是影響電池穩(wěn)定性的重要環(huán)境因素之一。在高溫環(huán)境下，P3HT:PCBM電池的性能會(huì)受到顯著影響。隨著溫度升高，P3HT和PCBM分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，這可能導(dǎo)致活性層形貌發(fā)生變化。分子熱運(yùn)動(dòng)的加劇會(huì)使P3HT分子鏈的取向和排列發(fā)生改變，原本有序的結(jié)晶區(qū)域可能會(huì)變得無序，晶粒尺寸也可能發(fā)生變化。這種形貌變化會(huì)影響電荷傳輸路徑，導(dǎo)致電荷傳輸效率下降。高溫還會(huì)加速材料的老化和降解過程。P3HT和PCBM分子可能會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如氧化、分解等，導(dǎo)致材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生改變。P3HT分子在高溫下可能會(huì)發(fā)生主鏈斷裂，從而降低其共軛程度，影響光吸收和電荷傳輸性能。從微觀層面來看，高溫會(huì)增加分子內(nèi)和分子間的能量，使得化學(xué)反應(yīng)的活化能更容易被克服，從而加速材料的老化和降解。研究表明，當(dāng)溫度從25℃升高到60℃時(shí)，P3HT:PCBM電池的能量轉(zhuǎn)換效率在一周內(nèi)下降了約30%，這主要是由于活性層形貌變化和材料降解導(dǎo)致的電荷傳輸效率降低和光吸收性能下降。在低溫環(huán)境下，電池性能同樣會(huì)受到影響。低溫會(huì)使P3HT和PCBM分子的熱運(yùn)動(dòng)減弱，導(dǎo)致活性層中的電荷傳輸速率降低。分子熱運(yùn)動(dòng)的減弱使得載流子在分子間的跳躍變得困難，增加了電荷傳輸?shù)淖枇Α５蜏剡€可能導(dǎo)致活性層材料的脆性增加，在受到外力作用時(shí)更容易發(fā)生破裂和損壞。這會(huì)破壞活性層的結(jié)構(gòu)完整性，影響電荷傳輸通道，進(jìn)而降低電池的性能。當(dāng)溫度降至-20℃時(shí)，電池的短路電流和開路電壓會(huì)明顯下降，能量轉(zhuǎn)換效率降低約40%，這是由于電荷傳輸速率降低和活性層結(jié)構(gòu)受損共同作用的結(jié)果。濕度對(duì)P3HT:PCBM電池穩(wěn)定性也有重要影響。高濕度環(huán)境中的水分子容易進(jìn)入活性層內(nèi)部。水分子具有極性，能夠與P3HT和PCBM分子發(fā)生相互作用。這種相互作用可能會(huì)改變分子的電子云分布，影響分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)。水分子與P3HT分子的相互作用可能會(huì)使P3HT的HOMO能級(jí)發(fā)生變化，從而影響電荷在P3HT與PCBM界面處的轉(zhuǎn)移。水分子還可能作為雜質(zhì)，在活性層中形成陷阱態(tài)，捕獲載流子，導(dǎo)致電荷復(fù)合概率增加。當(dāng)環(huán)境濕度達(dá)到80%時(shí)，電池的填充因子和能量轉(zhuǎn)換效率會(huì)顯著下降，這是因?yàn)殡姾蓮?fù)合概率的增加導(dǎo)致電荷傳輸效率降低，從而影響了電池的整體性能。高濕度還可能引發(fā)活性層材料的水解反應(yīng)。P3HT和PCBM分子中的某些化學(xué)鍵可能會(huì)在水分子的作用下發(fā)生斷裂，導(dǎo)致材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)被破壞。PCBM分子中的酯鍵在高濕度環(huán)境下可能會(huì)發(fā)生水解，影響PCBM的電子傳輸性能，進(jìn)而降低電池的穩(wěn)定性。光照也是影響電池穩(wěn)定性的關(guān)鍵環(huán)境因素。長(zhǎng)時(shí)間的光照會(huì)引發(fā)光降解反應(yīng)。P3HT和PCBM分子在吸收光子能量后，處于激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)的分子具有較高的活性，容易與周圍環(huán)境中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。P3HT分子在光照下可能會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，其共軛結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致光吸收能力下降。光照還會(huì)引起活性層形貌的變化。在光照過程中，活性層中的分子可能會(huì)發(fā)生聚集或重排，改變相分離結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)時(shí)間的光照可能會(huì)使P3HT和PCBM的相分離尺度發(fā)生變化，原本理想的納米級(jí)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可能會(huì)被破壞，影響激子的解離和電荷傳輸。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過100小時(shí)的連續(xù)光照后，P3HT:PCBM電池的能量轉(zhuǎn)換效率下降了約25%，這是由于光降解反應(yīng)和活性層形貌變化共同導(dǎo)致的光吸收性能下降和電荷傳輸效率降低。5.2.2穩(wěn)定性提升策略探討為了提高P3HT:PCBM電池的穩(wěn)定性，眾多研究人員積極探索了多種有效的策略，這些策略從不同角度入手，旨在降低環(huán)境因素對(duì)電池性能的影響，延長(zhǎng)電池的使用壽命。封裝技術(shù)是提升電池穩(wěn)定性的重要手段之一。通過對(duì)電池進(jìn)行良好的封裝，可以有效隔離環(huán)境中的水分、氧氣等有害因素，減少它們對(duì)活性層材料的侵蝕。常用的封裝材料包括玻璃、聚合物薄膜等。玻璃具有良好的阻隔性能，能夠阻擋水分和氧氣的進(jìn)入。在封裝過程中，將電池與玻璃基板通過密封膠緊密貼合，形成一個(gè)密封的空間，從而保護(hù)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)。研究表明，采用玻璃封裝的P3HT:PCBM電池，在相對(duì)濕度為80%的環(huán)境中放置一個(gè)月后，其能量轉(zhuǎn)換效率僅下降了5%，而未封裝的電池能量轉(zhuǎn)換效率下降了50%以上。聚合物薄膜封裝則具有柔韌性好、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。一些具有高阻隔性能的聚合物薄膜，如聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）等，能夠有效阻擋水分和氧氣。在封裝時(shí)，將聚合物薄膜通過熱壓或涂布等方式覆蓋在電池表面，形成保護(hù)膜。采用PET薄膜封裝的電池，在高溫60℃環(huán)境下工作1000小時(shí)后，性能依然保持穩(wěn)定，而未封裝的電池在相同條件下性能大幅下降。材料改性也是提高電池穩(wěn)定性的關(guān)鍵策略。對(duì)P3HT和PCBM材料進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)修飾是一種有效的方法。在P3HT分子鏈上引入特定的官能團(tuán)，如烷基、氟烷基等。這些官能團(tuán)的引入可以改變P3HT分子的電子云分布和分子間相互作用，從而提高材料的穩(wěn)定性。烷基官能團(tuán)的引入可以增加P3HT分子的溶解性和結(jié)晶度，使其在環(huán)境因素作用下更難發(fā)生降解。氟烷基官能團(tuán)則具有較強(qiáng)的電負(fù)性，能夠增強(qiáng)P3HT分子的抗氧化性能。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過化學(xué)結(jié)構(gòu)修飾的P3HT:PCBM電池，在光照強(qiáng)度為100mW/cm2的條件下，連續(xù)工作500小時(shí)后，能量轉(zhuǎn)換效率僅下降了10%，而未修飾的電池能量轉(zhuǎn)換效率下降了30%。合成新型的P3HT和PCBM衍生物也是材料改性的重要方向。通過分子設(shè)計(jì)，合成具有更好穩(wěn)定性和性能的衍生物。一些新型的PCBM衍生物，其LUMO能級(jí)和電子遷移率得到優(yōu)化，不僅提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率，還增強(qiáng)了材料的穩(wěn)定性。這些衍生物在面對(duì)環(huán)境因素時(shí)，能夠保持更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和性能。有研究合成了一種新型PCBM衍生物，將其應(yīng)用于P3HT:PCBM電池中，在高溫80℃和高濕度90%的惡劣環(huán)境下，電池的性能依然能夠保持相對(duì)穩(wěn)定，能量轉(zhuǎn)換效率在一個(gè)月內(nèi)僅下降了15%，而使用傳統(tǒng)PCBM的電池性能下降了60%以上。界面工程在提升電池穩(wěn)定性方面也發(fā)揮著重要作用。在活性層與電極之間引入合適的界面