有機(jī)太陽(yáng)電池中新型電極材料的研究

程利容

(荊州理工職業(yè)學(xué)院照明與電氣工程系，湖北荊州434000)

有機(jī)太陽(yáng)電池中新型電極材料的研究

程利容

(荊州理工職業(yè)學(xué)院照明與電氣工程系，湖北荊州434000)

有機(jī)太陽(yáng)電池被認(rèn)為是極具發(fā)展前途的新一代光電子器件。電極材料是有機(jī)太陽(yáng)電池中最重要的部分之一，對(duì)電池性能有直接的影響。由于氧化銦錫的價(jià)格昂貴及可持續(xù)性使用問(wèn)題，亟待尋找可替代的非氧化銦錫電極。綜合分析了銦錫氧化物電極和非氧化銦錫電極材料的應(yīng)用和性能特點(diǎn)，歸納了非氧化銦錫電極的發(fā)展現(xiàn)狀，比較了不同制備工藝所獲得的電極性能，并在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)討論了為了得到多層結(jié)構(gòu)電極中優(yōu)化的性能，需要對(duì)層厚度進(jìn)行必要的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通常采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法得到最終的優(yōu)化結(jié)果。

有機(jī)太陽(yáng)電池；氧化銦錫；多層電極；透射率；優(yōu)化

有機(jī)太陽(yáng)電池(OSCs)是成分全部或部分為有機(jī)物的太陽(yáng)電池，電池中使用了導(dǎo)電聚合物或小分子用于光的吸收和電荷轉(zhuǎn)移。有機(jī)物具有能大量制備、價(jià)格相對(duì)低廉、柔軟等性質(zhì)，在光伏應(yīng)用方面很有前途。通過(guò)改變聚合物等分子的長(zhǎng)度和官能團(tuán)可以改變有機(jī)分子的能隙，有機(jī)物的摩爾消光系數(shù)很高，使得少量的有機(jī)物就可以吸收大量的光。

有機(jī)太陽(yáng)電池被認(rèn)為是具有發(fā)展前途的新一代光電器件，其運(yùn)行效率已上升為11.1%[1]。目前，該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)是在保證OSCs性能的同時(shí)降低成本，增加靈活性和半透性等。為了實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，科研人員將精力投入到有機(jī)太陽(yáng)電池電極材料的研發(fā)上。大類，即銦錫氧化物電極材料和不含氧化銦錫多層電極材料。

1.1 氧化銦錫透明導(dǎo)電氧化膜的發(fā)展

1 電極材料的應(yīng)用及特點(diǎn)

電極材料是有機(jī)太陽(yáng)電池中的關(guān)鍵組成部分，對(duì)電池的性能起到?jīng)Q定性作用。目前應(yīng)用廣泛的電極材料可歸納為兩

自從1907年Badeker首次發(fā)現(xiàn)CdO薄膜同時(shí)具有透明與導(dǎo)電特性以來(lái)，透明導(dǎo)電氧化物(TCO)薄膜已經(jīng)形成了以氧化銦、氧化錫和氧化鋅為主體材料的三大體系，其中氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電薄膜以其低電阻、高透過(guò)率、易刻蝕等優(yōu)良特性成為商品化的主流產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用于平板顯示技術(shù)、太陽(yáng)電池、觸摸屏等領(lǐng)域[2]。

目前銦錫氧化物導(dǎo)電薄膜的應(yīng)用較為廣泛和成熟，在美日等國(guó)家已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。在國(guó)內(nèi)，雖然年均生產(chǎn)量相對(duì)有大幅度增長(zhǎng)，但是由于起步晚，依然落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。銦是地球上比較稀少的一種金屬，并且隨著其使用量的持續(xù)增長(zhǎng)，價(jià)格將變得越來(lái)越昂貴。同時(shí)ITO的表面電阻在循環(huán)彎矩超過(guò)最低彎曲半徑時(shí)(<10 mm)會(huì)顯著增加[3]，致使裂紋產(chǎn)生，影響到OSCs的質(zhì)量。因此，需要發(fā)展可替代的新型電極材料。

1.2 不含氧化銦錫多層電極

為了使OSCs成為一項(xiàng)具有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)，需要在最大限度上降低其價(jià)格，但目前大多數(shù)有機(jī)太陽(yáng)電池嚴(yán)重依賴于氧化銦錫，而其價(jià)格又會(huì)由于行業(yè)的強(qiáng)勁需求和銦的相對(duì)稀缺居高不下，甚至有上升趨勢(shì)[4]。為此需要開(kāi)發(fā)研究不同的電極材料，如導(dǎo)電聚合物、碳納米管、石墨烯、銀納米線、金屬網(wǎng)格和金屬薄膜，用以替代ITO。這些新型電極多采用多層結(jié)構(gòu)，通常包含氧化物/金屬/氧化物(OMO)三層，而這種多層的設(shè)計(jì)可為有機(jī)太陽(yáng)電池提供高的透射率和電導(dǎo)率。從結(jié)構(gòu)上分析，其透射率之所以會(huì)高于單層金屬，主要是由于在三層堆疊結(jié)構(gòu)中強(qiáng)烈的光學(xué)干涉。與ITO相比較另一個(gè)優(yōu)勢(shì)則在于多層結(jié)構(gòu)可有助于抵擋循環(huán)彎矩的產(chǎn)生[5]。

在材料的選擇中，雙層氧化物，有時(shí)甚至是硫化物，可選擇的范圍非常廣，諸如：In2O3，SnO2，ZnO，ITO，MoO3，Al2O3，WO3，TiO2，V2O5，ZnS，鋅氧化錫(ZTO)，鋁氧化鋅(AZO)，氟氧化錫(FTO)，鎵氧化鋅(GZO)。三層結(jié)構(gòu)中的氧化物可能相同也可能不同，最終電極的性能由多層電極中各層的配比決定，這也是目前研究的一個(gè)重點(diǎn)，在2.2節(jié)中將進(jìn)行詳細(xì)分析。

2 不含氧化銦錫電極材料的研究進(jìn)展及優(yōu)化

2.1 制備技術(shù)及性能分析

表1所示為各種OMO結(jié)構(gòu)的電極材料的制備技術(shù)、成分組成及其基本性能，主要包括厚度、在波長(zhǎng)550 nm光照下的透射率550、表面電阻及靈敏值，可由公式(1)確定。

表1 OMO電極制備方法、組成及性能

由公式(1)可知，OMO多層的電導(dǎo)率主要是由金屬薄膜的厚度控制，在某一臨界值范圍以上時(shí)，(一般5～15 nm)，電阻率下降顯著[6]，這一臨界值取決于金屬，但也與氧化物及沉積方法和速度有關(guān)系。同時(shí)，表1中還列出了所有電極的制備技術(shù)：直流磁控濺射(direct current magnetron sputtering，DC MS)、離子束濺射(ion beam sputtering，IBS)、焦耳效應(yīng)蒸發(fā)(Joule effect evaporation，JEE)、反應(yīng)濺射(reactive sputtering，RS)、射頻磁控濺射(radio frequency magnetron sputtering，RF MS)。這些技術(shù)及電極材料目前處于該領(lǐng)域最先進(jìn)的位置。

在電極制備中導(dǎo)電金屬層的選擇靈活多樣，包括Ag、Au、Cu、Al、Mo等。研究人員在盡量保證電極性能的同時(shí)也致力于降低成本，如采用Cu替代Ag作為有機(jī)太陽(yáng)電池電極材料(Cu的價(jià)格是Ag的1/100)。在制備均勻、光滑的Cu薄膜的過(guò)程中需使用ZnS作為外部介質(zhì)層，作為實(shí)現(xiàn)高透射率和低表面電阻的關(guān)鍵條件[13]。從性能上分析，新型多層電極材料也具有良好的性能，如文獻(xiàn)[14]中ZnO/Cu/Ag/MoO3多層結(jié)構(gòu)通過(guò)在真空狀態(tài)下沉積獲得，由于使用了雙層金屬作為中間層，該層狀結(jié)構(gòu)的光學(xué)透過(guò)率得以顯著增加。設(shè)定Ag層厚度為6 nm，而將Cu層作為參數(shù)進(jìn)行研究。在整體厚度介于400～700 nm，結(jié)構(gòu)為ZnO(20 nm)/Cu(3 nm)/Ag(6 nm)/MoO3時(shí)，可獲得最高平均透射率為88%。但是后續(xù)的研究表明Cu層厚度控制在4 nm時(shí)的靈敏值更好，可達(dá)到16×10－3，也使得這一新型材料成為一種較理想的ITO電極材料。圖1所示即為不同種材料導(dǎo)電層對(duì)應(yīng)的光譜透射率，從圖中可以分析出，無(wú)論在穩(wěn)定性還是在均勻性上，導(dǎo)電層材料的調(diào)整都會(huì)引起整個(gè)電極材料的變化，這也是目前研究的重點(diǎn)之一。

2.2 電極成分配比優(yōu)化技術(shù)

綜合前人的經(jīng)驗(yàn)可知，在多層電極制備中最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是選擇材料的成分配比，這種結(jié)構(gòu)一般遵循以下的規(guī)律：在可見(jiàn)光的照射下，氧化物一般需要具有高的折射率以及較低的消光系數(shù)；金屬應(yīng)在保證足夠低的消光系數(shù)的同時(shí)，具有高的導(dǎo)電性；同時(shí)，氧化活性層必須表現(xiàn)出相應(yīng)的載波通路以適應(yīng)OSC的需求，且可以避免增加一個(gè)緩沖層。

圖1 不同ZnO/M1,2/MoO3多層結(jié)構(gòu)中不同光譜透射率

基于以上的理論分析，可對(duì)OMO電極中每層的厚度進(jìn)行優(yōu)化，以便在所需光譜下獲得最高的透射比，在這方面多采用實(shí)驗(yàn)分析與數(shù)值模擬方法相結(jié)合進(jìn)行。如文獻(xiàn)[15]中通過(guò)優(yōu)化得到低表面電阻和高透光率的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，此處Ag的厚度為14 nm。圖2為450～650 nm光譜范圍內(nèi)表面電阻和平均傳輸與Ag層厚度的關(guān)系，通過(guò)圖中曲線關(guān)系可直接得到最優(yōu)層厚度。而文獻(xiàn)[16]則通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法分析了在結(jié)構(gòu)中氧化層的厚度對(duì)光學(xué)性能的影響，最后的優(yōu)化結(jié)構(gòu)可保證獲得74%以上的透射率，并得到了最優(yōu)的多層電極結(jié)構(gòu)，即Glass/ZnO(30 nm)/Ag(14 nm)/ZnO(30 nm)，該結(jié)構(gòu)可成功應(yīng)用于有機(jī)太陽(yáng)電池電極中。圖3所示為文獻(xiàn)中給出的與層厚配比相關(guān)本征吸收效率，通過(guò)使用相應(yīng)模擬方法，有助于研究多層電極的光學(xué)行為，并獲得其在有機(jī)太陽(yáng)電池或其他光電工程方面的最優(yōu)使用。

圖2 在450～650 nm光譜范圍內(nèi)表面電阻和平均傳輸與Ag層厚度的關(guān)系

圖3 對(duì)多層結(jié)構(gòu)電極材料性能數(shù)值模擬過(guò)程

3 總結(jié)

有機(jī)太陽(yáng)電池是一種極具發(fā)展前途的綠色能源。電極作為太陽(yáng)電池的關(guān)鍵部分，其適用性直接決定了太陽(yáng)電池的推廣和應(yīng)用。盡管氧化銦錫電極材料已被廣泛研究及應(yīng)用，但從價(jià)格、資源等角度分析，需要尋找一種價(jià)格便宜、性能良好、資源分布廣泛的新型電極替代材料。本文詳細(xì)介紹了目前研究較深入的幾種不含氧化銦錫的有機(jī)太陽(yáng)電池電極材料的制備性能及相互比較，討論了多層電極中層厚對(duì)電極性能的影響規(guī)律，綜述了采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法優(yōu)化層間厚度的研究進(jìn)展。

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Study of new electrode materials of organic solar cells

CHENG Li-rong

Organic solar cell was widely considered to be a very promising a new generation of optoelectronic devices. The electrode material was one of the most important part of organic solar cells and the performance of the solar cells were directly influenced by it.Considering the expensive and sustainable use of indium tin oxide,an alternative of indium oxide tin electrode was needed to find.Application and performance characteristics of the indium tin oxide and without indium tin oxide electrodes were analyzed synthetically.The current situation of the development of the without indium tin oxide electrode were summarized.The different preparation processes of electrode performance were compared.In order to get the high performance of the electrode,structure optimization was discussed emphatically in the multilayer.With the method of combination of experiments and numerical simulation method the optimal structure could be obtained.

organic solar cells;indium tin oxide;multi-layer electrode;transmissivity;optimization

TM 914

A

1002-087 X(2015)03-0624-03

2014-08-15

湖北省高等學(xué)校青年教師深入企業(yè)行動(dòng)項(xiàng)目(XD2012606)

程利容(1983—)，女，湖北省人，碩士，主要研究方向?yàn)楣庠床牧稀?/p>