基于导电高分子辅助剥离二维纳米材料界面层的高效聚合物太阳能电池

由于日益严峻的化石能源枯竭和环境污染问题,寻求可再生的绿色能源迫在眉睫。聚合物太阳能电池具有重量轻、成本低、环境污染小以及可柔性大面积制备等特点,近年来发展快速。然而聚合物太阳能电池普遍存在效率较低和寿命短等问题,限制了它在实际中的应用。其中,活性层与电极的界面接触对太阳能电池性能和寿命有着非常重要的影响。过渡金属二硫属化合物及石墨烯等二维纳米材料具有许多独特的光学、电学和力学性质,这些性质使得二维纳米材料在聚合物太阳能电池的电极界面领域有着很好的应用前景。然而,制备单层或少数几层的二维纳米片层以及对其电子结构的调控仍具有很大的挑战性,因此开发新型低成本可溶液加工的电极界面修饰材料,对于聚合物太阳能电池的实用化无疑具有非常重要的意义。

AFM-huanghui

日前,中国科学院大学黄辉教授课题组开发了一种以水溶性导电高分子PEDOT:PSS作为表面活性剂,采用液相超声剥离法制备具有单层或少数几层的过渡金属二硫属化合物及石墨烯水溶性分散液。此分散液的浓度随超声时间的延长而增加,以MoS2分散液为例,最终浓度为0.16 mg/mL,其效果可以与作为表面活性剂的其他小分子以及聚合物媲美;同时,此分散液中的纳米片层具有单层或少数几层的结构,并且保持原有的结晶结构。由于PEDOT:PSS与纳米片层之间具有强相互作用,纳米片层水性分散液能够长时间稳定保存。此外,本方法采用水作为分散液,突出其环境友好性。以WS2体系为例,其与PEDOT:PSS共混物成膜后,导电率和空穴传输速率与纯PEDOT:PSS膜相比均有提升,这是由于WS2纳米片层的加入能够引发PEDOT:PSS苯-醌结构转变。并且PEDOT:PSS/WS2复合膜具有岛状微观结构,此结构能够增大活性层与电极的接触面积,有利于载流子在二者之间的有效传输。因此PEDOT:PSS/WS2复合膜作为聚合物电池的正极修饰层的器件效率明显高于PEDOT:PSS膜;同时,由于二维纳米层状材料的加入能够有效阻止水氧在活性层中的渗入,器件的稳定性也得到大幅提升。

综上所述,采用环境友好型的PEDOT:PSS水溶液作为表面活性剂结合液相超声剥离法来制备单层及少数几层的二维纳米片层分散液,为二维纳米材料的制备提供新的思路,且对于拓展二维纳米材料在聚合物太阳能电池中的应用具有重要的指导借鉴意义。相关文章在线发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201701622)上。