DSC 4000差示扫描量热仪测试有机太 阳能电池活性层材料

前言 有机太阳能电池（OSCs）是一种将太阳能转换成电能的新型光伏 技术，一般采用透明电极/光活性层/金属电极的三明治夹心结构。 其中，活性层是有机太阳能电池最重要最核心的组成部分，是决定 电池转换效率高低的重要因素之一，通常由p-型共轭聚合物给 体和n-型半导体受体材料共混制备。有机聚合物太阳能电池是以有机聚合物材料为活性层，可与柔性衬底很 好的结合，具有材料来源广、重量轻、制备工艺简单、柔性等优良特点而成为人们近年来的研究热点。 使用共轭聚合物作为电子给体，富勒烯及其衍生物作为电子受体的聚合物/富勒烯太阳能电池是最为热点的 研究方向。通过分子设计的策略，优化聚合物和富勒烯及其衍生物的基本性能，例如两者的吸收光谱，分子能 级及迁移率，以及结晶度高低，从而影响电池的能量转换效率。其中，活性层材料结晶度的大小与电池的能量 转换效率也密切相关，通过差示扫描量热仪可直接测试出活性层材料的熔融焓，进而推断出材料结晶度的高 低，结合后续电池的能量转换效率大小，进而推断出活性材料中电子给体和电子供体的较佳比例。

本着上述测试需求，本文利用PerkinElmer公司的DSC 4000差示扫描量热仪（下图1），分别测试了聚合物（DBT）和富勒烯 （PCBM）四种不同配比的活性层材料的升温曲线，通过熔融吸 收峰计算出四种不同配比材料的熔融焓，进而推断出活性层材 料结晶度的高低以及分子排列的规整程度。

实验方法

本次实验我们采用PerkinElmer公司DSC 4000差式扫描量热 仪，实验初始温度30℃，温度扫描范围30-300℃，载气为N2，流 速20mL/min，升温和降温阶段均采用20℃/min的升降温速率， 为了使样品温度趋于稳定，初始和结束温度均等温1min。为了 消除样品本身的热历史得到准确的热流曲线和样品的熔融焓， 我们对样品进行两次升温，取第二次升温曲线，计算样品的熔 融焓。实验前，配置四种不同质量分数的聚合物（DBT）和富勒 烯（PCBM）活性层材料，聚合物（DBT）的质量分数分别为10%、 20%、40%、50%。

实验结果

截取聚合物（DBT）和富勒烯（PCBM）四种不同配比的活性层材 料的第二次升温曲线，如图3所示。从图中可看出四个样品的熔 融峰值都出现在223℃附近，随着DBT质量分数的提高，样品的 熔融焓不断提升，通过软件自带的峰面积（Peak Area）计算软 件，我们可得出四种不同配比样品的熔融焓Delta H分别为 3.497J/g、5.454J/g、15.296J/g、18.374J/g。随着DBT质量分数 的提高，电池活性层材料的熔融焓不断提升，材料内部的相容 性更好，分子排列更规整。但是，活性材料中，DBT质量分数太 高有可能会影响电子的传输效率，进而影响电池的转换效率。 后续需要结合电池的能量转换效率大小，进而推断出活性材料 中聚合物（DBT）和富勒烯（PCBM）的较佳配比。

结论

本文采用DSC 4000差示扫描量热仪，对有机太阳能电池中活 性层材料进行热流曲线测试，根据熔融峰计算得到材料的熔融 焓，进而判断材料内部的分子排列规整度和相容性。 DSC 4000 优异的温度以及量热准确度，搭配Pyris软件，可以满足样 品热流和熔融焓的测试需求；软件中峰面积（Peak Area）计算 功能，简化了数据处理步骤，提高了实验效率。