低沸点溶剂处理PEDOT∶PSS薄膜提升光伏电池性能

李维光; 陈俊聪; 郑燕琼; 陈与欢; 陈维安; 李喜峰

doi:10.37188/CJL.20220108

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低沸点溶剂处理PEDOT∶PSS薄膜提升光伏电池性能

发光产业及技术前沿 | 更新时间：2022-10-19

- 低沸点溶剂处理PEDOT∶PSS薄膜提升光伏电池性能
  增强出版
- Low Boiling-point Solvents Treatment of PEDOT∶PSS Film for Optimized Photovoltaic Cell Performance
- 发光学报 2022年43卷第6期页码：922-933
- 作者机构：
  
  1.上海大学材料科学与工程学院，上海　200072
  2.上海大学机电工程与自动化学院新型显示技术及应用集成教育部重点实验室，上海　200072
- 作者简介：
  
  [ "李维光（1997-），男，江苏连云港人，硕士研究生，2019年于常州大学获得学士学位，主要从事有机太阳能电池及有机电致发光器件方面的研究。" ]
  [ "陈俊聪（1998-），男，福建福清人，硕士研究生，2020年于桂林电子科技大学获得学士学位，主要从事有机电致发光器件的研究。" ]
  [ "郑燕琼（1979 -），女，湖北咸宁人，博士，副研究员，硕士生导师，2009年于华中科技大学获得博士学位，主要从事有机光电子材料与器件的研究。" ]
  [ "李喜峰（1978-），男，山西大同人，博士，研究员，博士生导师，2006年于复旦大学获得博士学位，主要从事晶体管材料与器件的研究。 E-mail： lixifeng@shu.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  Open Fund of State Key Laboratory of Luminescent Materials and Devices（South China University of Technology）, China
- DOI：10.37188/CJL.20220108
  中图分类号： O482.31
- 收稿日期：2022-03-27，
  
  修回日期：2022-04-08，
  
  纸质出版日期：2022-06-05
- 稿件说明：
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李维光,陈俊聪,郑燕琼等.低沸点溶剂处理PEDOT∶PSS薄膜提升光伏电池性能[J].发光学报,2022,43(06):922-933.

LI Wei-guang,CHEN Jun-cong,ZHENG Yan-qiong,et al.Low Boiling-point Solvents Treatment of PEDOT∶PSS Film for Optimized Photovoltaic Cell Performance[J].Chinese Journal of Luminescence,2022,43(06):922-933.
李维光,陈俊聪,郑燕琼等.低沸点溶剂处理PEDOT∶PSS薄膜提升光伏电池性能[J].发光学报,2022,43(06):922-933. DOI： 10.37188/CJL.20220108.

LI Wei-guang,CHEN Jun-cong,ZHENG Yan-qiong,et al.Low Boiling-point Solvents Treatment of PEDOT∶PSS Film for Optimized Photovoltaic Cell Performance[J].Chinese Journal of Luminescence,2022,43(06):922-933. DOI： 10.37188/CJL.20220108.

摘要

聚（3，4-乙烯二氧噻吩）∶聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT∶PSS）作为热门空穴传输材料之一，被广泛应用于各种光电子器件中。为提高其导电性，高沸点溶剂常常被直接添加到PEDOT∶PSS溶液中，然而这同时会造成溶剂残留，给器件带来明显的漏电流。而在以往的报道中，并未见有效利用更易去除的低沸点溶剂。在本工作中，我们发现使用异丙醇、乙醇和丙酮三种低沸点溶剂对PEDOT∶PSS薄膜进行先滴加后旋涂处理后，相应的P3HT∶PC

BM聚合物太阳能电池（PSCs）性能得到了改善。尤其在异丙醇处理后，电池短路电流密度从8.15 mA/cm

提高到9.17 mA/cm

，能量转换效率达到3.5%，相比参比器件提升了18.6%，同时未引起器件的漏电流增加。分析后发现处理后的PEDOT∶PSS薄膜中PEDOT链和PSS链发生相分离，表面形貌发生改变，透光能力和导电性得到增强。同时，通过溶剂处理尤其异丙醇处理后，PEDOT∶PSS的空穴传输能力显著上升。这些结果表明，低沸点溶剂可以通过这种方法被有效地利用，从而改善PEDOT∶PSS薄膜的光电性能。

Abstract

As a popular hole transport material， poly（3，4-ethylenedioxythiophene）∶poly（styrene sulfonate）（PEDOT∶PSS） has been widely used in variety of optoelectronic devices. High boiling-point solvents were usually added into PEDOT∶PSS solutions to enhance its conductivity， but simultaneously resulted in evident leakage current due to solvent residue. However， low boiling-point solvents， which are more easily removed， have not been effectively utilized. In this study， we found that the performance of the corresponding poly（3-hexy-thiophene）（P3HT）∶［6，6］-phenyl-C

-butyric acid methyl ester（PC

BM） polymer solar cells（PSCs） was improved without increasing the leakage current after low boiling-point solvent treatment of PEDOT∶PSS films by dripping isopropanol， ethanol or acetone then spin-coating. Especially， after the isopropanol treatment， the short-circuit current density of PSC increased from 8.15 mA/cm

to 9.17 mA/cm

， and the power conversion efficiency reached 3.5%， an 18.6% enhancement compared to the control device. The analysis revealed that the solvent-treated PEDOT∶PSS films demonstrated diffetent surface morphology， enhanced light transmission， and improved electrical conductivity due to the phase separation between PEDOT and PSS chains. Meanwhile， the hole transport capability of PEDOT∶PSS increased after treatment， especially after the isopropanol treatment. These results suggested that low boiling-point solvents could be effectively utilized by this method and improved the optoelectronic properties of the PEDOT∶PSS film.

关键词

Keywords

references

LU J X ， FENG W J ， MEI G D ， et al . Ultrathin PEDOT∶PSS enables colorful and efficient perovskite light-emitting diodes ［J］. Adv. Sci. ， 2020 ， 7 （ 11 ）： 2000689-1-7 . doi: 10.1002/advs.202000689 http://dx.doi.org/10.1002/advs.202000689

ALIKHAIDAROVA E ， AFANASYEV D ， IBRAYEV N ， et al . Plasmonic enhanced polymer solar cell with inclusion of Ag@SiO 2 core-shell nanostructures ［J］. Polym. Adv. Technol. ， 2022 ， 33 （ 3 ）： 1000 - 1008 . doi: 10.1002/pat.5574 http://dx.doi.org/10.1002/pat.5574

SUN K ， XIA Y J ， OUYANG J Y . Improvement in the photovoltaic efficiency of polymer solar cells by treating the poly（3，4-ethylenedioxythiophene）∶poly（styrenesulfonate） buffer layer with co-solvents of hydrophilic organic solvents and hydrophobic 1，2-dichlorobenzene ［J］. Sol. Energy Mater. Sol. Cells ， 2012 ， 97 ： 89 - 96 . doi: 10.1016/j.solmat.2011.09.039 http://dx.doi.org/10.1016/j.solmat.2011.09.039

SEFUNC M A ， OKYAY A K ， DEMIR H V . Plasmonic backcontact grating for P3HT∶PCBM organic solar cells enabling strong optical absorption increased in all polarizations ［J］. Opt. Express ， 2011 ， 19 （ 15 ）： 14200 - 14209 . doi: 10.1364/oe.19.014200 http://dx.doi.org/10.1364/oe.19.014200

HU X T ， MENG X C ， ZHANG L ， et al . A mechanically robust conducting polymer network electrode for efficient flexible perovskite solar cells ［J］. Joule ， 2019 ， 3 （ 9 ）： 2205 - 2218 . doi: 10.1016/j.joule.2019.06.011 http://dx.doi.org/10.1016/j.joule.2019.06.011

FAN X ， WEN R J ， XIA Y G ， et al . Vacuum-free，all-solution，and all-air processed organic photovoltaics with over 11% efficiency and promoted stability using layer-by-layer codoped polymeric electrodes ［J］. Solar RRL ， 2020 ， 4 （ 6 ）： 1900543-1-13 . doi: 10.1002/solr.201900543 http://dx.doi.org/10.1002/solr.201900543

FAN X ， WANG J Z ， WANG H B ， et al . Bendable ITO-free organic solar cells with highly conductive and flexible PEDOT∶PSS electrodes on plastic substrates ［J］. ACS Appl. Mater. Interfaces ， 2015 ， 7 （ 30 ）： 16287 - 16295 . doi: 10.1021/acsami.5b02830 http://dx.doi.org/10.1021/acsami.5b02830

HA Y H ， NIKOLOV N ， POLLACK S K ， et al . Towards a transparent，highly conductive poly（3，4-ethylenedioxythiophene）［J］. Adv. Funct. Mater. ， 2004 ， 14 （ 6 ）： 615 - 622 . doi: 10.1002/adfm.200305059 http://dx.doi.org/10.1002/adfm.200305059

JIANG Y Y ， LIU T F ， ZHOU Y H . Recent advances of synthesis，properties，film fabrication methods，modifications of poly（3，4-ethylenedioxythiophene），and applications in solution-processed photovoltaics ［J］. Adv. Funct. Mater. ， 2020 ， 30 （ 51 ）： 2006213-1-46 . doi: 10.1002/adfm.202006213 http://dx.doi.org/10.1002/adfm.202006213

AIMUKHANOV A K ， ROZHKOVA X S ， ILYASSOV B R ， et al . The influence of structural and charge transport properties of PEDOT∶PSS layers on the photovoltaic properties of polymer solar cells ［J］. Polym. Adv. Technol. ， 2021 ， 32 （ 2 ）： 497 - 504 . doi: 10.1002/pat.5102 http://dx.doi.org/10.1002/pat.5102

HU L ， SONG J X ， YIN X X ， et al . Research progress on polymer solar cells based on PEDOT∶PSS electrodes ［J］. Polymers ， 2020 ， 12 （ 1 ）： 145-1-19 . doi: 10.3390/polym12010145 http://dx.doi.org/10.3390/polym12010145

SHI H ， LIU C C ， JIANG Q L ， et al . Effective approaches to improve the electrical conductivity of PEDOT∶PSS：a review ［J］. Adv. Electron. Mater. ， 2015 ， 1 （ 4 ）： 1500017-1-16 . doi: 10.1002/aelm.201500017 http://dx.doi.org/10.1002/aelm.201500017

SONG C ， ZHONG Z M ， HU Z H ， et al . The effect of solvent treatment on the buried PEDOT∶PSS layer ［J］. Org. Electron. ， 2017 ， 43 ： 9 - 14 . doi: 10.1016/j.orgel.2016.12.057 http://dx.doi.org/10.1016/j.orgel.2016.12.057

KIM J Y ， JUNG J H ， LEE D E ， et al . Enhancement of electrical conductivity of poly（3，4-ethylenedioxythiophene）/poly（4-styrenesulfonate） by a change of solvents ［J］. Synth. Met. ， 2002 ， 126 （ 2-3 ）： 311 - 316 . doi: 10.1016/s0379-6779(01)00576-8 http://dx.doi.org/10.1016/s0379-6779(01)00576-8

XIA Y J ， OUYANG J Y . PEDOT∶PSS films with significantly enhanced conductivities induced by preferential solvation with cosolvents and their application in polymer photovoltaic cells ［J］. J. Mater. Chem. ， 2011 ， 21 （ 13 ）： 4927 - 4936 . doi: 10.1039/C0JM04177G http://dx.doi.org/10.1039/C0JM04177G

ZHENG Y Q ， YU J L ， TANG J ， et al . Series of polar alcohol-additives assisted improvement in the PEDOT∶PSS film property and bulk-heterojunction organic solar cell performance ［J］. J. Phys. D：Appl. Phys. ， 2019 ， 52 （ 25 ）： 255104-1-10 . doi: 10.1088/1361-6463/ab04dc http://dx.doi.org/10.1088/1361-6463/ab04dc

KIM W H ， MÄKINEN A J ， NIKOLOV N ， et al . Molecular organic light-emitting diodes using highly conducting polymers as anodes ［J］. Appl. Phys. Lett. ， 2002 ， 80 （ 20 ）： 3844 - 3846 . doi: 10.1063/1.1480100 http://dx.doi.org/10.1063/1.1480100

LI Q D ， YANG J W ， CHEN S S ， et al . Highly conductive PEDOT∶PSS transparent hole transporting layer with solvent treatment for high performance silicon/organic hybrid solar cells ［J］. Nanoscale Res. Lett. ， 2017 ， 12 （ 1 ）： 506-1-8 . doi: 10.1186/s11671-017-2276-5 http://dx.doi.org/10.1186/s11671-017-2276-5

ZHONG Q X ， LIU J ， CHEN S H ， et al . Highly stable CsPb X 3 /PbSO 4 core/shell nanocrystals synthesized by a simple post-treatment strategy ［J］. Adv. Opt. Mater. ， 2021 ， 9 （ 5 ）： 2001763-1-7 . doi: 10.1002/adom.202001763 http://dx.doi.org/10.1002/adom.202001763

ZUO C T ， DING L M . Drop-casting to make efficient perovskite solar cells under high humidity ［J］. Angew. Chem. Int. Ed. ， 2021 ， 60 （ 20 ）： 11242 - 11246 . doi: 10.1002/anie.202101868 http://dx.doi.org/10.1002/anie.202101868

ZHU Z H ， DENG W ， LI W ， et al . Antisolvent-induced fastly grown all-inorganic perovskite CsPbCl 3 microcrystal films for high-sensitive UV photodetectors ［J］. Adv. Mater. Interfaces ， 2021 ， 8 （ 6 ）： 2001812-1-7 . doi: 10.1002/admi.202001812 http://dx.doi.org/10.1002/admi.202001812

HÖRMANN U ， KRAUS J ， GRUBER M ， et al . Quantification of energy losses in organic solar cells from temperature-dependent device characteristics ［J］. Phys. Rev. B ， 2013 ， 88 （ 23 ）： 235307-1-13 . doi: 10.1103/physrevb.88.235307 http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.88.235307

PENG B ， GUO X ， CUI C H ， et al . Performance improvement of polymer solar cells by using a solvent-treated poly（3，4-ethylenedioxythiophene）∶poly（styrenesulfonate） buffer layer ［J］. Appl. Phys. Lett. ， 2011 ， 98 （ 24 ）： 243308-1-3 . doi: 10.1063/1.3600665 http://dx.doi.org/10.1063/1.3600665

OUYANG J Y ， XU Q F ， CHU C W ， et al . On the mechanism of conductivity enhancement in poly（3，4-ethylenedioxythiophene）∶poly（styrene sulfonate） film through solvent treatment ［J］. Polymer ， 2004 ， 45 （ 25 ）： 8443 - 8450 . doi: 10.1016/j.polymer.2004.10.001 http://dx.doi.org/10.1016/j.polymer.2004.10.001

CRISPIN X ， JAKOBSSON F L E ， CRISPIN A ， et al . The origin of the high conductivity of poly（3，4-ethylenedioxythiophene）-poly（styrenesulfonate）（PEDOT-PSS） plastic electrodes ［J］. Chem. Mater. ， 2006 ， 18 （ 18 ）： 4354 - 4360 . doi: 10.1021/cm061032+ http://dx.doi.org/10.1021/cm061032+

KIM K J ， KIM Y S ， KANG W S ， et al . Inspection of substrate-heated modified PEDOT∶PSS morphology for all spray deposited organic photovoltaics ［J］. Sol. Energy Mater. Sol. Cells ， 2010 ， 94 （ 7 ）： 1303 - 1306 . doi: 10.1016/j.solmat.2010.03.013 http://dx.doi.org/10.1016/j.solmat.2010.03.013

VAAGENSMITH B ， REZA K M ， HASAN N ， et al . Environmentally friendly plasma-treated PEDOT∶PSS as electrodes for ITO-free perovskite solar cells ［J］. ACS Appl. Mater. Interfaces ， 2017 ， 9 （ 41 ）： 35861 - 35870 . doi: 10.1021/acsami.7b10987 http://dx.doi.org/10.1021/acsami.7b10987

LIU Y ， CAI H K ， CHU Y H ， et al . Alcohol solvent treatment of PEDOT∶PSS hole transport layer for optimized inverted perovskite solar cells ［J］. J. Mater. Sci.：Mater. Electron. ， 2020 ， 31 （ 15 ）： 12765 - 12774 . doi: 10.1007/s10854-020-03828-3 http://dx.doi.org/10.1007/s10854-020-03828-3

CASSIE A B D . Contact angles ［J］. Discuss. Faraday Soc. ， 1948 ， 3 ： 11 - 16 . doi: 10.1039/df9480300011 http://dx.doi.org/10.1039/df9480300011

CASSIE A B D ， BAXTER S . Wettability of porous surfaces ［J］. Trans. Faraday Soc. ， 1944 ， 40 ： 546 - 551 . doi: 10.1039/tf9444000546 http://dx.doi.org/10.1039/tf9444000546

LIU Y ， HE B L ， DUAN J L ， et al . Poly（3-hexylthiophene）/zinc phthalocyanine composites for advanced interface engineering of 10.03%-efficiency CsPbBr 3 perovskite solar cells ［J］. J. Mater. Chem. A ， 2019 ， 7 （ 20 ）： 12635 - 12644 . doi: 10.1039/c9ta01151j http://dx.doi.org/10.1039/c9ta01151j

SUNG S J ， KIM J H ， GIHM S H ， et al . Revisiting the role of graphene quantum dots in ternary organic solar cells：insights into the nanostructure reconstruction and effective förster resonance energy transfer ［J］. ACS Appl. Energy Mater. ， 2019 ， 2 （ 12 ）： 8826 - 8835 . doi: 10.1021/acsaem.9b01793 http://dx.doi.org/10.1021/acsaem.9b01793

JÖNSSON S K M ， BIRGERSON J ， CRISPIN X ， et al . The effects of solvents on the morphology and sheet resistance in poly（3，4-ethylenedioxythiophene）-polystyrenesulfonic acid （PEDOT-PSS） films ［J］. Synth. Met. ， 2003 ， 139 （ 1 ）： 1 - 10 . doi: 10.1016/s0379-6779(02)01259-6 http://dx.doi.org/10.1016/s0379-6779(02)01259-6

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