DSC 4000差示掃描量熱儀測(cè)試有機(jī)太 陽(yáng)能電池活性層材料
前言 有機(jī)太陽(yáng)能電池(OSCs)是一種將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的新型光伏 技術(shù),,一般采用透明電極/光活性層/金屬電極的三明治夾心結(jié)構(gòu)。 其中,,活性層是有機(jī)太陽(yáng)能電池最重要最核心的組成部分,,是決定 電池轉(zhuǎn)換效率高低的重要因素之一,通常由p-型共軛聚合物給 體和n-型半導(dǎo)體受體材料共混制備,。有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池是以有機(jī)聚合物材料為活性層,,可與柔性襯底很 好的結(jié)合,具有材料來(lái)源廣,、重量輕,、制備工藝簡(jiǎn)單、柔性等優(yōu)良特點(diǎn)而成為人們近年來(lái)的研究熱點(diǎn),。 使用共軛聚合物作為電子給體,,富勒烯及其衍生物作為電子受體的聚合物/富勒烯太陽(yáng)能電池是最為熱點(diǎn)的 研究方向。通過(guò)分子設(shè)計(jì)的策略,,優(yōu)化聚合物和富勒烯及其衍生物的基本性能,,例如兩者的吸收光譜,分子能 級(jí)及遷移率,,以及結(jié)晶度高低,,從而影響電池的能量轉(zhuǎn)換效率。其中,,活性層材料結(jié)晶度的大小與電池的能量 轉(zhuǎn)換效率也密切相關(guān),,通過(guò)差示掃描量熱儀可直接測(cè)試出活性層材料的熔融焓,進(jìn)而推斷出材料結(jié)晶度的高 低,,結(jié)合后續(xù)電池的能量轉(zhuǎn)換效率大小,,進(jìn)而推斷出活性材料中電子給體和電子供體的較佳比例。
本著上述測(cè)試需求,,本文利用PerkinElmer公司的DSC 4000差示掃描量熱儀(下圖1),,分別測(cè)試了聚合物(DBT)和富勒烯 (PCBM)四種不同配比的活性層材料的升溫曲線,通過(guò)熔融吸 收峰計(jì)算出四種不同配比材料的熔融焓,,進(jìn)而推斷出活性層材 料結(jié)晶度的高低以及分子排列的規(guī)整程度,。
實(shí)驗(yàn)方法
本次實(shí)驗(yàn)我們采用PerkinElmer公司DSC 4000差式掃描量熱 儀,實(shí)驗(yàn)初始溫度30℃,,溫度掃描范圍30-300℃,,載氣為N2,流 速20mL/min,升溫和降溫階段均采用20℃/min的升降溫速率,, 為了使樣品溫度趨于穩(wěn)定,,初始和結(jié)束溫度均等溫1min。為了 消除樣品本身的熱歷史得到準(zhǔn)確的熱流曲線和樣品的熔融焓,, 我們對(duì)樣品進(jìn)行兩次升溫,,取第二次升溫曲線,計(jì)算樣品的熔 融焓,。實(shí)驗(yàn)前,,配置四種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚合物(DBT)和富勒 烯(PCBM)活性層材料,聚合物(DBT)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%,、 20%,、40%、50%,。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
截取聚合物(DBT)和富勒烯(PCBM)四種不同配比的活性層材 料的第二次升溫曲線,,如圖3所示。從圖中可看出四個(gè)樣品的熔 融峰值都出現(xiàn)在223℃附近,,隨著DBT質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高,,樣品的 熔融焓不斷提升,通過(guò)軟件自帶的峰面積(Peak Area)計(jì)算軟 件,,我們可得出四種不同配比樣品的熔融焓Delta H分別為 3.497J/g,、5.454J/g,、15.296J/g,、18.374J/g。隨著DBT質(zhì)量分?jǐn)?shù) 的提高,,電池活性層材料的熔融焓不斷提升,,材料內(nèi)部的相容 性更好,分子排列更規(guī)整,。但是,,活性材料中,DBT質(zhì)量分?jǐn)?shù)太 高有可能會(huì)影響電子的傳輸效率,,進(jìn)而影響電池的轉(zhuǎn)換效率,。 后續(xù)需要結(jié)合電池的能量轉(zhuǎn)換效率大小,進(jìn)而推斷出活性材料 中聚合物(DBT)和富勒烯(PCBM)的較佳配比,。
結(jié)論
本文采用DSC 4000差示掃描量熱儀,,對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池中活 性層材料進(jìn)行熱流曲線測(cè)試,根據(jù)熔融峰計(jì)算得到材料的熔融 焓,,進(jìn)而判斷材料內(nèi)部的分子排列規(guī)整度和相容性,。 DSC 4000 優(yōu)異的溫度以及量熱準(zhǔn)確度,搭配Pyris軟件,,可以滿足樣 品熱流和熔融焓的測(cè)試需求,;軟件中峰面積(Peak Area)計(jì)算 功能,,簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理步驟,提高了實(shí)驗(yàn)效率,。
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