n-Si/p-PEDOT:PSS杂化肖特基结的界面性能研究
时间：2022-11-13 来源：博通范文网 本文已影响 人 
材料，具有高电导率、高机械强度、高可见光透射率、良好的环境稳定性。这些优点使其广泛用于有机太阳能电池等有机领域。PEDOT：PSS作为杂化光伏器件中的p型层，采用纯度高、载流子迁移率高的单晶N型硅作为n型层，制备杂化n-Si/p-PEDOT：PSS肖特基结器件，不仅简化工艺，还具有降低成本的特点。本实验分为两个部分，第一部分是研究薄薄膜厚度度与基片旋转角速度、浓度等之间关系;第二部分是研究掺杂不同浓度的甘油对薄膜光学性能的影响。
关键词：肖特基结;PEDOT：PSS;旋涂
中图分类号：TM914.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）01-0226-03
0 引言
进入21世纪，太阳能的开发和利用受到越来越多的关注。太阳能具有清洁、无污染、取之不尽等优势。太阳能电池是利用太阳能光伏转化原理制造的，作为太阳能利用的新技术之一，它们在过去的几十年里已经得到了极大的发展[1]。
近年来，薄膜太阳能电池（如Si、CIGS、CdTe等）在制备时需要使用价格昂贵的真空设备及较复杂的高温技术，同时，由于原材料价格偏高，这些电池的生产成本一直居高不下，限制了其商品化的进程。而采用PEDOT：PSS作为杂化光伏器件中的p型层，采用纯度高、载流子迁移率高的单晶N型硅作为n型层，制备杂化n-Si/p-PEDOT：PSS肖特基结器件却是解决这一问题的很好研究点。PEDOT（聚乙撑二氧噻吩）是一种新型的有机导电材料，具有高电导性、高机械强度、高可见光透射率和良好的环境稳定性，这些优点使其广泛应用于有机太阳能电池领域[2]。通常，PEDOT-PSS用作有机电子器件的空穴缓冲层和空穴注入层，可大大提高有机器件的性能，将PEDOT-PSS结合到有机太阳能电池中作为空穴阻挡层可以大大增加开路电压和短路电流，从而提高电池的光电转换效率。通过加入一些溶剂如：在此基础上加入DMSO（-二甲基亚砜）或掺杂甘油可以使电导率增加数十倍甚至数百倍，这与膜的表面状态密切相关。研究发现，这是由于化合物与有机物PEDOT-PSS侧链的相互作用[3]。本工作集中在通过旋涂法制备PEDOT-PSS，并研究所得薄膜厚度与掺杂溶液的浓度和基片的旋转速度之间的关系，此外，进行以导电玻璃（ITO玻璃）为基底的实验主要研究了掺杂甘油对薄膜光学性能的影响。
1 实验部分
1.1 材料和仪器
（1）直径为125mm的双抛光单晶N型硅片;
（2）PEDOT-PSS溶液;
（3）KQ-250E超声波清洗器;
（4）台阶仪仪，用于测试薄膜厚度;
（5）KW-4A型旋涂仪;
（6）D2-3BCII型真空干燥箱，用于干燥和退火;
（7）其他用具：烧杯、量筒、试管、广口瓶、保鲜膜、酒精棉球、玻璃刀片。
1.2 试剂
丙酮（CH3COCH3）、四氯化碳（CCl4）、无水乙醇（CH3CH2OH）、氢氟酸（HF）、盐酸（HCl）、过氧化氢30%（H2O2）、氨水（NH3·H2O）、聚3，4乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸（PH-1000，Clevios公司）、二甲基亚砜（C2H6OS）溶液。
1.3 实验方案
本实验分为两个部分，第一部分是以双抛光单晶N型硅为基底进行旋涂实验，主要研究薄膜厚度与基片旋转速度、掺杂PEDOT-PSS的浓度等之间关系，厚度由椭偏仪测量;第二部分是以ITO玻璃为基底进行的旋涂实验，这里主要研究掺杂丙三醇（甘油）对薄膜光学性能的影响。
1.4 实验步骤
1.4.1 硅片的表面清洗
将切割好的硅片（1cm×1cm）首先浸入无水乙醇中，然后将硅片依次浸入丙酮，无水乙醇、氨水（NH3·H2O）：过氧化氢30%（H2O2）：DI（1：1：5）、混合液中，密封条件下超声洗涤各10分钟、温度设在80-85℃;之后取3ml氢氟酸（HF）、60mlDI倒入塑料烧杯中，将硅片浸入溶液中30-60秒，密封。配成盐酸（HCl）：过氧化氢30%（H2O2）：DI（1：1：5）的混合溶液，将硅片浸入混合液的烧杯中，再超声洗涤震荡30分钟，温度设在80-85℃。在清洁后，用去离子水洗涤硅片，用氮气干燥并储存在干净的培养皿中备用。最后调节真空干燥箱，将真空干燥箱的温度设置到90℃，待达到90℃后再将温度设置到140℃。
1.4.2 基于硅片衬底PEDOT：PSS薄膜的制备
分别配成（PH-1000）：DMSO浓度为3%、5%、7%、10%（体积分数）的混合溶液，然后将溶液在磁力加热搅拌器中以500r/min的震荡速率摇动1小时。对KW-4A型旋涂仪进行预调试，将静态时间设置在3秒左右，动态时间设置在30秒左右，静态转速设置在800r/s，动态转速设置在2500r/min/s-3500r/min。旋涂硅片：将硅片放在KW-4A型旋涂仪上，在静态滴液，动态不同转速下对硅片进行旋涂。将旋涂好的硅片放置在培养皿中，待真空干燥箱的温度达到140℃后，将盛有玻片和硅片的培养皿放到干燥箱中，并将干燥箱抽成真空，时间为30分钟。取出培养皿，将玻片和硅片按类别装袋，供后续利用台阶仪测定硅片沉底的薄膜厚度分析。在旋涂实验中，旋涂的初速度设定为800r/min，旋涂时间控制在10s，高速2000～3500r/min，旋涂时间30s。
1.4.3 ITO玻璃为衬底PEDOT：PSS薄膜制備
（1）玻片的表面清洗。将切好的玻片用去离子水冲洗干净，然后自然干燥，再将玻片依次浸入盛有四氯化碳，无水乙醇，丙酮等混合溶液中超声洗涤10分钟，洗涤温度设在80-85℃。用去离子水清洗，最后将玻片放入含有无水乙醇的烧杯中。
（2）擦拭玻片。
（3）旋涂。配置（PH-1000）：DMSO浓度为7%（体积分数）的旋涂液中分别掺杂0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、甘油（C3H8O3）的混合溶液。然后将溶液在磁力加热搅拌器中以500r/min的振荡速率摇动1小时。在静态滴液，动态下对硅片进行旋涂。实验中设定旋涂初速为800r/min，3s，高速均为3000r/min，30s，旋涂后，样品在真空140℃环境下退火干燥处理30 min制备分别掺杂甘油（C3H8O3）的PEDOT：PSS薄膜。供随后使用紫外-可见分光光度计、四探针仪器、分析掺杂甘油对玻片衬底的薄膜光学性能的影响。
1.5 实验结果分析
1.5.1 薄膜厚度与基材转速、浓度等的关系
如图1所示，图中四条曲线分别代表了PEDOT：PSS的掺杂浓度为3%（体积分数）、5%（体积分数）、7%（体积分数）、10%（体积分数）时薄膜厚度随旋涂速率的变化关系。当PEDOT：PSS的掺杂浓度越低，转速越高，膜厚越小;浓度越高，旋转速度越低，膜的厚度越大。依照这样的实验结果，便于我们开展后续的实验。
1.5.2 薄膜透射率随甘油浓度掺杂之间的关系
图2中5条曲线分别表示在PEDOT：PSS的掺杂浓度为7%条件下和甘油掺杂时，薄膜的透射率与掺浓度之间的关系。从图中可以看出，未掺杂样品的透射率小于掺杂甘油的样品的透射率，表明甘油的掺杂有利于提高膜的透光率。如图2，在400-1200nm范围内，掺杂0.4%的甘油的PEDOT：PSS薄膜在玻片上的光透过率最好。在1200-2000nm范围内，整体达到85%以上。掺杂0.4%的甘油的PEDOT：PSS薄膜在玻片上的光透过率最好。在75%-85%之间。
1.5.3 薄膜光吸收度与甘油浓度掺杂之间的关系
图3中5条曲线分别表示在PEDOT：PSS的掺杂浓度为7%条件下、掺杂甘油时薄膜光吸收度随掺杂的浓度的变化关系。从图中可以看出，未掺杂样品的光吸收度小于掺杂甘油的样品的光吸收度，这表明甘油的掺杂利于提高薄膜对光的吸收，改善薄膜光学性能。由图可知，在400-2000nm范围内，掺杂0.6%的甘油的PEDOT：PSS薄膜的光吸收度最好。最大光吸收达到17%左右。
2 结语
综上所述，利用旋涂法获得PEDOT：PSS薄膜，浓度和转速对薄膜厚度有显著影响;当PEDOT：PSS的掺杂浓度越低，旋转速度越高，最终得到的薄膜的厚度越小;浓度越高，旋转速度越低，膜的厚度越大。在实际的旋涂过程中，除了考虑主要旋涂因素如浓度和转速外，还必须考虑外部因素。例如，ITO玻璃表面的光滑度和清洁度会影响薄膜。改变掺杂甘油的濃度对膜的透射率和光吸收具有显著影响，这利于改善薄膜的光学性质。
参考文献
[1] 赵玉文.太阳电池新进展[J].物理，2004，33（02）：99-105.
[2] 王振交，杨辉，席曦，乔琦，季静佳，李荣华.有机光电导电材料PEDOT-PSS薄膜制备工艺研究[J].功能材料，2007，（38）：393-395.
[3] 郝志红，胡子阳，张建军等.掺杂PEDOT：PSS对聚合物太阳能电池性能影响的研究[J].物理学报，2011，60（11）：548-554.
