典型應(yīng)用之一
差示掃描量熱法評(píng)估活性層材料結(jié)晶度
有機(jī)太陽能電池（OSC）是一種用于將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的新型光伏技術(shù)。該技術(shù)通常采用透明電極/光敏層/金屬電極的夾層結(jié)構(gòu)。其中，活性層(尚未按照上述夾層結(jié)構(gòu)予以適當(dāng)定義)是有機(jī)太陽能電池最重要的核心組件，也是決定電池?fù)Q能效率的重要因素之一，該電池通常由p型共軛聚合物給體和n型半導(dǎo)體受體材料共混而成。有機(jī)聚合物太陽能電池使用有機(jī)聚合物材料作為活性層，可以與柔性基板很好地結(jié)合在一起，此類材料具有卓越的特性，例如材料來源廣泛、重量輕、制備過程簡(jiǎn)單且具有柔韌性。
使用共軛聚合物作為電子給體并將富勒烯及其衍生物作為電子受體的聚合物/富勒烯太陽能電池是當(dāng)前重要的研究課題。通過分子設(shè)計(jì)策略，可以優(yōu)化聚合物和富勒烯及其衍生物的基本特性。這些特性包括吸收光譜、分子能級(jí)和兩者的遷移率以及結(jié)晶度。其中，活性層材料的結(jié)晶度還與電池的能量轉(zhuǎn)換效率密切相關(guān)。差示掃描量熱法(DSC)可以直接測(cè)量活性層材料的熔融焓并推斷出材料的結(jié)晶度。這就使得用戶可估算出能量轉(zhuǎn)換效率，因此推斷出活性材料中電子給體和電子受體的最佳比例。
按照上述測(cè)試要求，本文使用珀金埃爾默的DSC 9差示掃描量熱儀(圖1)測(cè)試聚合物(DBT)和富勒烯(PCBM)的四種不同比例活性物質(zhì)的加熱曲線，通過熔融吸收峰計(jì)算出這四種活性物質(zhì)的熔融焓，然后計(jì)算得到活性層材料的結(jié)晶度和分子排列的規(guī)律。
圖1.珀金埃爾默DSC 9差示掃描量熱儀
實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)的初始溫度為30°C，溫度掃描范圍為30～300°C，載氣為氮?dú)?N2)，流速為20 mL/min，升降溫速率為20ºC/min，為了穩(wěn)定樣品溫度，將初始和最終溫度等溫保持1分鐘，如圖2所示。為消除樣品本身的熱史，以獲得準(zhǔn)確的熱流曲線和樣品熔融焓，將樣品加熱兩次，并繪制第二條升溫曲線以計(jì)算樣品的熔融焓。在實(shí)驗(yàn)之前，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%和50%。
圖2.樣品測(cè)試的實(shí)驗(yàn)條件(點(diǎn)擊查看大圖)
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
四種不同比例的截留聚合物(DBT)和富勒烯(PCBM)的活性層材料的第二次升溫曲線如圖3所示。四個(gè)樣品的峰熔融焓約為223°C，并且樣品的熔融焓隨DBT質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而上升。隨著DBT質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，電池活性層材料的熔融焓持續(xù)上升，材料的內(nèi)部相容性更好，分子排列也更加規(guī)則。
圖3.四種不同比例的活性材料第二次升溫時(shí)的熔化曲線和熔化焓(點(diǎn)查看大圖)
然而，活性材料中較高的DBT質(zhì)量分?jǐn)?shù)可能會(huì)影響電子轉(zhuǎn)移效率，進(jìn)而可能影響電池的換能效率。隨后，需要考慮電池能量轉(zhuǎn)換效率的大小來得出活性材料中聚合物(DBT)與富勒烯(PCBM)的最佳比例。
結(jié)論
本文使用DSC 9差示掃描量熱儀測(cè)試有機(jī)太陽能電池中活性層材料的熱流曲線，并根據(jù)熔融峰計(jì)算出熔融焓，以確定材料的分子排列和相容性。軟件中的峰面積計(jì)算功能簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理步驟，并提高了實(shí)驗(yàn)效率。
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