交流阻抗譜技術研究有機薄膜太陽電池

黃文波, 龐小雷, 劉力千, 傅偉文, 姚日暉

(1. 華南理工大學 發(fā)光材料與器件國家重點實驗室, 廣東 廣州 510641；2. 華南理工大學 材料科學與工程國家級實驗教學示范中心, 廣東 廣州 510641)

交流阻抗譜是常用的一種電參量測試技術,它是基于測量對體系施加小幅度交流微擾信號時的電學響應。 在每個測量頻率點的原始數(shù)據(jù)中, 都包含了施加信號對測得的信號的相位移及幅模值, 從這些數(shù)據(jù)可以計算出電學響應的實部與虛部。交流阻抗譜中涉及的參數(shù)有阻抗幅模|Z|、阻抗實部Z′、阻抗虛部Z″、相位移θ、角頻率ω等變量, 同時還可以計算出導納Y和電容C的實部與虛部。交流阻抗譜可以用Cole-Cole 圖、導納圖、電容圖和Bode 圖等來描述。交流阻抗譜是研究固體器件載流子傳輸、電馳豫過程,以及測定固體電介質(zhì)電導率、電容率和電介常數(shù)等阻抗參量的重要方法[1].

有機薄膜太陽電池在一個頻率范圍內(nèi)對于每個頻率點得到的阻抗值就形成該有機薄膜太陽電池的交流阻抗譜。由于有機光電材料的非晶結(jié)構(gòu)和存在陷阱分布,使有機薄膜太陽電池中載流子的輸運不同于晶態(tài)的半導體材料,載流子在這樣無序結(jié)構(gòu)材料中運動的遷移率較低。 對于具有夾芯式結(jié)構(gòu)的有機薄膜太陽電池,其電學特性類似于平板電容器,在外界電壓驅(qū)動下,其電輸運過程包括載流子的注入、遷移和復合,都需要一定的時間進行建立和完成,微觀的弛豫現(xiàn)象可以表現(xiàn)在宏觀物理參量對交流激勵信號的響應,交流阻抗譜能夠反映載流子在有機光電材料中的傳輸、電介馳豫過程等基本信息[2-11]。

交流阻抗譜技術在有機薄膜太陽電池研究中的實際應用,有助于學生深入理解交流阻抗譜技術原理和掌握阻抗分析的實驗方法。

1 實驗儀器

型號為HP4192AHP阻抗分析儀，裝有GPIB卡的計算機以及用LabVIEW編寫的測試控制軟件。

2 實驗

2.1 樣品制備

(1) 有機太陽電池材料溶液的配置：PTB7-Th和PC71BM按照質(zhì)量比為10∶15的比例，以氯苯作為溶劑配置總濃度為25 mg/mL的溶液,加入轉(zhuǎn)子，置于加熱臺上，在70 ℃的溫度下攪拌加熱,待材料完全溶解。

(2) ZnO納米粒子溶液的配置：用分析天平稱取1 g的二水醋酸鋅固體，置于20 mL的溶液瓶中；再用注射器吸取10 mL的2-甲氧基乙醇；最后再用移液槍吸取280 μL的乙醇胺溶液,加入轉(zhuǎn)子，置于加熱臺上,在60 ℃的溫度下攪拌12 h以上待用。

(3) ZnO薄膜的制備：先使用一次性注射器吸取適量的配置好的ZnO溶液,將溶液滴在ITO玻璃基片上,在勻膠機上進行旋涂成膜,轉(zhuǎn)速為2 500 r/min,旋涂時間為30 s,旋涂結(jié)束后即刻置于200 ℃的加熱臺上加熱1 h。

(4) 有機太陽電池薄膜的制備：將制備好的覆蓋有ZnO薄膜的ITO玻璃基片轉(zhuǎn)移到手套箱內(nèi),在氮氣環(huán)境下旋涂PTB7-Th和PC71BM共混溶液,轉(zhuǎn)速為1 000 r/min,勻膠時間為30 s。

(5) 蒸鍍金屬電極和包封：將旋涂有PTB7-Th和PC71BM共混溶液薄膜的ITO玻璃基片安裝在掩膜版上,并放在蒸鍍倉中抽真空,真空維持在2×10-4Pa以下,分別蒸鍍約10 nm的空穴傳輸層MoO3和約100 nm金屬Ag；在蒸鍍完金屬電極的器件上滴適量的環(huán)氧樹脂透明膠,再用蓋玻片覆蓋住涂有環(huán)氧樹脂的部分,最后在紫外燈的照射下進行固化,固化時間為4 min。

經(jīng)過以上步驟,制備得到結(jié)構(gòu)為ITO/ZnO/ PTB7-Th:PC71BM /MoO3/Ag的有機薄膜太陽電池器件。為了比較不同面積器件的阻抗差異,制備了面積分別為0.16、0.97、2.00 cm2的器件。

2.2 交流阻抗譜測試

(1) 將制備好的有機薄膜太陽電池器件的電極與HP4192A的夾具相接,ITO玻璃作為陽極與夾具的正極相連,蒸鍍的金屬陰極與夾具的負極相連。

(2) 將裝有GPIB卡的計算機通過GPIB接口與HP4192A阻抗分析儀相連,以此計算機控制HP4192A對器件的測試。

(3) 開啟計算機和HP4192A阻抗分析儀,啟動測試控制軟件,將其設置為頻率掃描工作方式,并設定一定的交流振幅和直流偏壓,運行測試控制軟件記錄不同頻率下相應的器件阻抗值的變化情況。

3 實驗數(shù)據(jù)分析與討論

3.1 交流阻抗譜的Cole-Cole 圖

器件的 Cole-Cole圖顯示阻抗實部和虛部關系是一個半圓。從圖1(a)中可看出，半徑隨器件面積變大急劇減小,半圓的急劇收縮表明器件的面積大小對器件內(nèi)部載流子的傳輸有較大影響,3個半圓的高頻數(shù)據(jù)都集中在原點附件。為了看清楚高頻時的數(shù)據(jù),作出對數(shù)坐標表示的Cole-Cole圖,如圖1(b)所示,在對數(shù)坐標下可以清楚地看到不同面積的器件的Z′有一個共同的最小值,大約為10 Ω,這代表了實驗中儀器測試夾具與器件電極的接觸電阻。

實驗數(shù)據(jù)表明,器件可以采用一個RC并聯(lián)電路、再串聯(lián)一個電極電阻作為其等效電路[12],阻抗數(shù)據(jù)通過擬合可以確定等效電路中的元件參數(shù),進而幫助理解面積對器件性能影響的機理。

3.2 器件的等效電路

交流阻抗譜的實際應用在于把實測的數(shù)據(jù)畫成Cole-Cole圖,再與集中參數(shù)元件組成的電路或分布參數(shù)元件組成的電路進行比較,便可把器件的載流子傳輸過程用由各種元件(如電阻、電容、電感等)串、并聯(lián)組成的基本交流電路組成的電路來模擬,該電路對頻率的響應與器件對頻率的響應是一致的,這種用來模擬器件載流子傳輸過程的電路稱為等效電路。等效電路的優(yōu)點是比較直觀而且比較容易精確地描述較大頻率域的電響應,能夠把所測量器件的載流子傳輸特性用電響應參數(shù)來表示。

實驗中,由于Cole-Cole曲線呈現(xiàn)半圓型,說明該器件的電學參數(shù)可等效為一個RC并聯(lián)電路再串聯(lián)一個電阻。為了區(qū)別于太陽電池的工作原理等效電路,由交流阻抗譜得到的等效電路可稱為器件的阻抗等效電路,如圖2所示。

圖2 有機薄膜太陽電池器件的阻抗等效電路圖

圖2中,串聯(lián)電阻Rs表示器件在測試過程中測試夾子與器件電極的接觸電阻；CP表示器件的等效電容；RP表示器件的并聯(lián)電阻,即器件的內(nèi)阻。根據(jù)圖2,器件的復阻抗Z可表示為

(1)

實部Z′和虛部Z″分別表示為：

消去角頻率ω后得到實部和虛部的關系式為

(2)

3.3 交流阻抗譜的擬合

對于一個器件實際測試得到的交流阻抗譜曲線,在確立了合適的等效電路后,為了分析它所反映的該器件內(nèi)部載流子的傳輸過程,需要對實測的交流阻抗譜曲線進行擬合,求出該等效電路中各等效元件的參數(shù),從而達到分析器件內(nèi)部載流子傳輸過程及微觀結(jié)構(gòu)的目的。

結(jié)合前面推導出的公式(2),可以估算不同面積器件的電阻和電容,擬合結(jié)果可以確定計算出不同面積的有機薄膜太陽電池器件的串聯(lián)電阻RS、并聯(lián)電阻RP和并聯(lián)電容CP,具體數(shù)值見表1。

表1 不同有效面積器件的串聯(lián)電阻RS、并聯(lián)電阻RP和并聯(lián)電容CP的具體參數(shù)

根據(jù)擬合結(jié)果確定的電阻和電容,作出阻抗等效電路的交流阻抗譜擬合曲線。為了在同一圖中看清楚3種面積器件的擬合曲線,采用對數(shù)坐標圖表示,如圖3中實線所示,可以看出擬合數(shù)據(jù)和測試實驗數(shù)據(jù)很吻合,說明等效電路及擬合電參數(shù)能夠反映器件內(nèi)部的電傳輸情況。

圖3 不同面積的有機薄膜太陽電池器件的阻抗等效電路擬合Cole-Cole圖(空心圓圈等代表實驗值,實線代表等效電路擬合值)

從擬合參數(shù)可看出,等效電路中的串聯(lián)電阻Rs是器件與外電路相連接的接觸電阻,由于測試時器件的電極與儀器夾具的連接總是存在差別,所以不同器件與外電路相連接的接觸電阻Rs值有少許差異,都在10 Ω左右；隨著器件面積的增大,并聯(lián)電阻RP,即器件的內(nèi)阻急劇減小,因此其分流電流增大,由于太陽電池器件在工作狀態(tài)下相當于恒流源,這將導致器件在工作狀態(tài)下的輸出電流減小,這是導致大面積器件的填充因子(最大輸出功率與開路電壓和短路電流乘積之比)比小面積器件小的原因,如圖4所示。因此,在器件設計上需要考慮如何增加并聯(lián)電阻來減少分流電流,從而提高器件的填充因子,實現(xiàn)改善器件性能的目的。

圖4 不同面積的有機薄膜太陽電池器件在100 mW/cm2 AM 1.5 G光照下的J-V特性曲線

4 結(jié)語

對3種不同面積的有機薄膜太陽電池器件進行交流阻抗譜的測試,并對實驗數(shù)據(jù)進行阻抗等效電路擬合分析。結(jié)果表明，隨著器件面積的增大,器件的內(nèi)阻急劇減小是導致大面積器件的填充因子(FF)比小面積器件小的原因。綜合分析交流阻抗譜技術的特點及在有機薄膜太陽電池器件研究中的應用,使學生對交流阻抗譜技術原理有了更深刻的理解,并熟練掌握了阻抗分析的實驗方法。