陰極緩沖層對(duì)有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池性能影響的研究

湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 劉紅兵

引言

有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池因具備質(zhì)輕體薄、提純簡(jiǎn)單、制備容易、能根據(jù)需要柔性彎曲、價(jià)格低廉、對(duì)環(huán)境要求低等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)得到了人們的極大關(guān)注。自80年中期C.W.Tang等人根據(jù)無(wú)機(jī)異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)原理，開(kāi)創(chuàng)性地研究并制備了CuPc/PTCBI的雙層異質(zhì)結(jié)OPV器件以來(lái)，激起了世界各國(guó)有機(jī)微電子學(xué)方向的專家和學(xué)者興趣愛(ài)好，他們借鑒無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池器件的光伏機(jī)理作用，對(duì)有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池新材料的化學(xué)合成、OPV器件退火工藝等制備方法深入研究并取得了卓越成效。近年來(lái)，在必要的實(shí)驗(yàn)室條件下，有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率突破了百分之十。一般實(shí)驗(yàn)中為了提高OPV器件的轉(zhuǎn)換效率，常采用C60作為受體材料，并在C60與金屬層中間添加BCP緩沖層來(lái)實(shí)現(xiàn)阻擋激子的淬滅作用，同時(shí)能完成保護(hù)陰極器件制備中的高溫破壞，及在器件光場(chǎng)分布中實(shí)現(xiàn)光學(xué)隔離的作用。但是，世間萬(wàn)物不可能完善，這種以BCP為材料的陰極緩沖層在OPV器件制備環(huán)境中容易被制備附屬的水蒸氣和氧氣所干擾，很容易產(chǎn)生BCP的結(jié)晶體，導(dǎo)致OPV器件的光伏性能不穩(wěn)定的后果。本文從器件材料能級(jí)、電子遷移率對(duì)OPV器件光伏性能的影響入手，想方設(shè)法阻止水蒸氣和氧氣擴(kuò)散到有機(jī)功能層，制備并優(yōu)化有機(jī)小分子陰極緩沖層應(yīng)用到薄膜太陽(yáng)能電池中，并采用新工藝研制有機(jī)小分子新材料，對(duì)其理論進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)選用了美國(guó)Al dr ich公司的CuPc和P3HT作為實(shí)驗(yàn)的給體材料，C60和PCBM作為受體材料，陰極緩沖層選用了BCP、Bphen、TPBi和Al q3，這些材料的純度都在百分之九十九以上。實(shí)驗(yàn)器材是選用了武漢大江微電子有限公司的OLED-V型真空成膜設(shè)備及有機(jī)小分子制備光伏OPV器件。采用2cm×2cm方塊電阻值為10歐姆，摻錫氧化銦導(dǎo)電玻璃作為基板，器件結(jié)構(gòu)選用ITO/CuPc/C60/陰極緩沖層/Ag，分別采用清洗劑、酒精、丙酮等依次進(jìn)行超聲波清洗，并用純凈氮?dú)怙L(fēng)干后進(jìn)行過(guò)氧等離子處理。之后在OLED-V型真空成膜設(shè)備上進(jìn)行CuPc的蒸鍍、C60氧等離子處理、陰極緩沖層蒸鍍、金屬電極Ag的制備，工藝條件優(yōu)化成氧氣流量23sccm、放電功率32W、處理時(shí)間2min，有機(jī)材料的真空度為2×10-4Pa，金屬材料的真空度為4×10-3Pa。將PCBM的溶劑在常溫避光下攪6h，制備中小分子太陽(yáng)能電池薄膜厚度是通過(guò)測(cè)試溶液濃度、旋轉(zhuǎn)涂敷速度及時(shí)間來(lái)加以區(qū)別，基本參數(shù)為：環(huán)境溫度150攝氏度下烘烤5min、旋轉(zhuǎn)涂敷速度1500r pm，臺(tái)階儀測(cè)試薄膜的厚度、CHF-XM35-500W氙燈模擬太陽(yáng)光。在室溫20攝氏度、1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓環(huán)境下，利用半導(dǎo)體分析儀Keit hl ey-4200測(cè)試其電流-電壓(I-V)特性曲線。

2 結(jié)果與討論

圖1用來(lái)說(shuō)明Bphen陰極緩沖層厚度對(duì)OPV器件開(kāi)路電壓、效率等參數(shù)性能的影響，從圖中清晰能分辨出陰極緩沖層厚度對(duì)OPV器件開(kāi)路電壓VOC的影響比較小。同時(shí)，從圖中可以看出當(dāng)緩沖層厚度達(dá)到2.45nm時(shí)，即JSC，F(xiàn)F和ηp達(dá)到最大，此時(shí)OPV器件的效率從沒(méi)有加緩沖層的1.05%提高到最大值2.27%，而繼續(xù)把緩沖層厚度加大到19.5nm后，OPV器件開(kāi)路電壓、效率等參數(shù)就下降至50%以下。由此實(shí)驗(yàn)結(jié)果能說(shuō)明，一是OPV器件開(kāi)路電壓VOC與緩沖層Bphen厚度的關(guān)系不大，它主要受給體、受體材料之間的HOMO能級(jí)與LUMO能級(jí)的能量差影響；二是緩沖層Bphen厚度變厚時(shí)，器件OPV效率參數(shù)性能下降受與其相串聯(lián)的電阻值變大引起的。

圖1 陰極緩沖層厚度對(duì)器件性能的影響

圖2 器件OPV的J-V特性曲線

圖3 器件OPV的功率曲線

圖2 是用來(lái)表征結(jié)構(gòu)為ITO/CuPc/C60/Al q3/Ag的器件OPV在沒(méi)有光照條件下（黑暗狀態(tài)）和有光照條件下（80 mW/cm2）的J-V特性曲線關(guān)系。從圖2中明顯能看出OPV器件的JSC，VOC、FF和ηp參數(shù)明顯低于10%。由此實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，陰極緩沖層材料Al q3能對(duì)C60在Ag沉淀過(guò)程中起到保護(hù)作用，從而提升了陰極收集自由電子的能力達(dá)到增強(qiáng)器件J-V特性性能。圖3用來(lái)檢驗(yàn)制備的OPV器件在特定區(qū)域(V0-V=0.4 V)和飽和區(qū)域(V0-V=1V)的功率曲線。從圖3能分辨出兩條斜率S為0.73和0.83的直線，表明Jph與入射光功率在上述特定區(qū)域內(nèi)具有四分之三次方的關(guān)系，說(shuō)明了緩沖層對(duì)ITO/CuPc/C60/Al q3/Ag器件起到了限制光生電流的作用。

3 總結(jié)

本文通過(guò)制備的Bphen陰極緩沖層，對(duì)結(jié)構(gòu)為ITO/CuPc/C60/Al q3/Ag的OPV器件克服因?yàn)樗脱鯕舛斐山Y(jié)晶體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，增加緩沖層后器件的開(kāi)路電壓VOC的變化比較小，同樣JSC和FF也得到較大的提升。實(shí)驗(yàn)中對(duì)比了用不用陰極緩沖層的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，充分說(shuō)明，增加緩沖層有利于提升有機(jī)小分子太陽(yáng)電池的填充因子FF、開(kāi)路電壓VOC和短路電流ISC，對(duì)改善OPV器件光伏性能具有非常重要的意義。

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