HATCN作為陽極緩沖層摻雜劑的有機(jī)太陽能電池的性能研究

李麗麗，蘇 斌，劉春波，王慶偉，車廣波

(吉林師范大學(xué)環(huán)境友好材料制備與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實驗室，吉林 四平 136000)

0 引言

近年來，有機(jī)太陽能電池(organic solar cells，OSCs)因制備工藝簡單、可大面積制造、材料選擇范圍廣、廉價、柔性等優(yōu)點(diǎn)引起人們的廣泛關(guān)注［1-3］.自1986年Tang C W報道了雙層OSCs后［4］，科研工作者采用不同的材料和器件結(jié)構(gòu)深入研究了小分子OSCs［5-7］，器件性能有了很大的提高，但是能量轉(zhuǎn)化效率(PCE)與無機(jī)太陽能電池相比仍然很低［8］，因此如何提高OSCs的PCE是當(dāng)前研究工作的重點(diǎn)之一.

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究，通過在OSCs的給、受體中摻雜有機(jī)小分子光電材料，可以提高器件的開路電壓(Voc)、短路電流密度(Jsc)或載流子遷移率等，從而提高器件的性能.Taim等人［9］將熒光材料rubrene摻雜到p-i-n型的p層即ZnPc中，獲得了較高的 Voc，改善了器件的性能.Chan等人［10］將 rubrene摻雜到OSCs的給體酞菁銅(CuPc)中，由于摻雜擴(kuò)大了光譜吸收范圍，提高了激子擴(kuò)散效率，進(jìn)而獲得了較大的Jsc，最大PCE達(dá)到5.58%.Umeda等人［11］將F4TCNQ分別摻雜于m-MTDATA和2-TNATA中，提高了器件的載流子遷移率，降低了串聯(lián)電阻，使OSCs的Jsc和FF都有所增加，有效的改善了器件的性能.有機(jī)小分子HATCN(分子結(jié)構(gòu)見圖1左)由于具有較高的載流子傳輸性能、較好的成膜性和穩(wěn)定性等特點(diǎn)［12-14］，因而被廣泛應(yīng)用到有機(jī)電致發(fā)光領(lǐng)域中，但目前還沒有將HATCN應(yīng)用在OSCs中作為摻雜材料的相應(yīng)報道.本文以ITO/CuPc/C60/BCP/Al作為對比器件，將HATCN摻雜到給體CuPc中，制備了 ITO/HATCN:CuPc/CuPc/C60/BCP/Al，研究有機(jī)小分子HATCN對OSCs光電性能的影響.

圖1 HATCN化學(xué)結(jié)構(gòu)圖(左)及器件結(jié)構(gòu)示意圖(右)

1 實驗方法

將ITO導(dǎo)電玻璃(表面電阻為25 Ω/sq)作為襯底，先用酸對ITO玻璃進(jìn)行刻蝕;然后用超聲振蕩清洗(溶劑依次為清洗劑、丙酮、乙醇和去離子水)，每次約10min，循環(huán)往復(fù)2～3次，直至ITO表面干凈無污染;隨后將清洗后的ITO玻璃干燥，最后進(jìn)行紫外臭氧處理10min后放入真空鍍膜室.利用真空鍍膜設(shè)備依次將有機(jī)層及陰極Al沉積在預(yù)先處理好的ITO基底上.各有機(jī)層及金屬沉積速率分別為1～2 ?/s和5～10 ?/s，沉積速率通過SI—TM206C六孔道石英晶體膜厚監(jiān)控儀控制.制得的器件分別在暗處和光強(qiáng)為100 mW/cm2(AM 1.5G)太陽模擬器照射下，使用Keithley 2601型單通道系統(tǒng)源表測得光伏特性曲線即I—V曲線.實驗過程中所有物理參數(shù)的測量均在室溫條件下進(jìn)行，未對器件進(jìn)行封裝.

2 結(jié)果與討論

將優(yōu)良的載流子傳輸材料HATCN摻入CuPc中，器件結(jié)構(gòu)依次是:(1)為陽極ITO.(2)為陽極緩沖層HATCN:CuPc.(3)為電子給體層CuPc.(4)為電子受體層C60.(5)為陰極緩沖層BCP、6為陰極金屬Al，如圖1右所示.依照此器件結(jié)構(gòu)制備如下系列OSCs:ITO/HATCN:CuPc(10nm)/CuPc(30nm)/C60(75nm)/BCP(9nm)/Al(150nm)，HATCN摻雜濃度依次為0%、2%、5%、10%、15%.材料HATCN、CuPc、C60和 BCP的 HOMO能級分別為9.5 eV、5.2 eV、6.2 eV 和7.0 eV，LUMO 能級分別為5.7 eV、3.5 eV、4.5 eV 和3.5 eV.

圖2為不同摻雜濃度OSCs的J—V特性曲線.表1為不同摻雜濃度器件的光伏性能參數(shù).器件的Voc、Jsc、填充因子(FF)和PCE隨著HATCN摻雜濃度的改變而呈現(xiàn)一定規(guī)律的變化(見圖3).從數(shù)據(jù)和變化趨勢圖可以看出，隨著摻雜劑HATCN摻雜濃度的增加，OSCs的Voc、Jsc、FF和PCE總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.當(dāng)HATCN在CuPc中的摻雜濃度為5%時，OSCs的光電性能最好.在光強(qiáng)為100 mW/cm2的太陽能模擬器照射下，器件的Voc為0.48 V，Jsc為5.66 mA/cm2，填充因子(FF)為 0.48，PCE為1.30%.與未摻雜的器件ITO/CuPc/C60/BCP/Al相比，PCE提高了59%，這主要是歸因于HATCN具有較高的電子遷移率［15］和非常低的LUMO能級，有利于給體上激子解離形成的空穴和HATCN的LUMO能級上注入的電子迅速地復(fù)合，從而增大了空穴的遷移率，有助于空穴傳輸，提高了OSCs的光電性能.不同摻雜濃度OSCs的光伏性能參數(shù)見表1.

圖2 不同摻雜濃度OSCs的J—V特性曲線

圖3 不同摻雜濃度OSCs的光伏性能變化趨勢

表1 不同摻雜濃度OSCs的光伏性能參數(shù)

3 結(jié)論

本文報道了將具有較高電子遷移率和較低LUMO能級的有機(jī)小分子材料HATCN摻入到CuPc中作為OSCs的陽極緩沖層，系統(tǒng)的研究了ITO/HATCN:CuPc/CuPc/C60/BCP/Al的有機(jī)光電特性.研究結(jié)果表明，該有機(jī)小分子材料HATCN的應(yīng)用，較大改善了器件的光伏性能，其他相關(guān)研究工作正在進(jìn)行中.

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