功能層厚度對有機太陽能電池內(nèi)部場強的影響

顧錦華,龍 浩,王皓寧,陳首部,鐘志有

(1.中南民族大學(xué) 實驗教學(xué)與實驗室管理中心, 湖北 武漢 430074;2.中南民族大學(xué) 智能無線通信湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430074；3.中南民族大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074)

1 引言

有機太陽能電池(OSC)具有原材料豐富、成本低、質(zhì)量輕、半透明、有柔性等特點[1～4]，可以通過噴墨、刮涂、卷對卷等便捷工藝制造大面積的器件，它將在光伏建筑一體化、可穿戴電子設(shè)備等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，是新一代光伏技術(shù)的一個重要發(fā)展方向[5～7]。眾所周知，OSC的典型結(jié)構(gòu)為“三明治”式夾心結(jié)構(gòu)，即將具有光敏性質(zhì)的有機薄膜夾于金屬陰極與透明陽極之間，通過光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生電壓、形成電流，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換[8～10]。由于OSC由多層薄膜組成，其器件性能與功能層厚度密切相關(guān)，因此各個功能層之間的厚度匹配對于OSC器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其光伏性能改善具有重要意義[11～13]。為此，本文基于OSC光吸收模型，利用MATLAB進行模擬計算，以研究功能層厚度對OSC內(nèi)部光場強分布和光敏層內(nèi)部場強的影響。

2 方法

選取器件結(jié)構(gòu)為“Al/LiF/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS/ITO”的OSC作為研究對象，其中金屬Al層為OSC陰極，透明導(dǎo)電ITO薄膜為OSC陽極，它們的厚度均為100 nm；其他各功能層及其厚度的研究范圍分別如下：①LiF為陰極修飾層，厚度范圍為0～9 nm；②P3HT:PCBM為光敏層，它是電子給體聚(3-己基噻吩)(P3HT)和電子受體6,6-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)的共混薄膜，厚度范圍為40～80 nm；③PEDOT:PSS為陽極修飾層，它是磺化聚苯乙烯(PSS)摻雜聚3,4-乙烯基二氧噻吩(PEDOT)的聚合物薄膜，厚度范圍為0～90 nm。

當(dāng)太陽光垂直于透明陽極入射、在多層薄膜結(jié)構(gòu)的OSC器件中傳播時，根據(jù)轉(zhuǎn)移矩陣方法并考慮光學(xué)干涉效應(yīng)[14～16]，在第j層中任意點x處的場強可以表示為：

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3 結(jié)果與討論

圖1為陰極修飾層厚度對OSC內(nèi)部場強分布的影響，從圖中看出，插入陰極修飾層后，OSC內(nèi)部場強分布受到了一定的影響，但在研究范圍之內(nèi)，各功能層內(nèi)部的場強變化較小。圖1中給出了OSC光敏層內(nèi)部場強隨陰極修飾層厚度變化的曲線，由圖1可知，OSC光敏層內(nèi)部的場強是隨陰極修飾層厚度增加而單調(diào)增大的，當(dāng)陰極修飾層厚度為9 nm時，OSC光敏層內(nèi)部的場強比沒有陰極修飾層時增加了16.63%。

圖1 陰極修飾層厚度對場強分布的影響

圖2為光敏層厚度對OSC內(nèi)部場強分布的影響，由圖2可見，當(dāng)光敏層厚度從40 nm增加到80 nm時，OSC中各功能層內(nèi)部的場強數(shù)值變化很大，說明了光敏層厚度對OSC內(nèi)部場強分布具有明顯的影響。圖2中的插圖給出了OSC光敏層內(nèi)部場強隨光敏層厚度變化的曲線，可以看出，隨著光敏層厚度的增加，OSC光敏層內(nèi)部的場強表現(xiàn)為先增大后減小的變化趨勢，當(dāng)光敏層厚度為50 nm時，OSC光敏層內(nèi)部的場強達(dá)到最大值。

圖2 光敏層厚度對場強分布的影響

圖3為陽極修飾層厚度對OSC內(nèi)部場強分布的影響，陽極修飾層厚度變化時，OSC中各功能層內(nèi)部的場強均有不同程度的改變，這說明陽極修飾層厚度對OSC內(nèi)部場強分布具有比較明顯的影響。圖3中的插圖給出了OSC光敏層內(nèi)部場強隨陽極修飾層厚度變化的曲線，可以看出，光敏層厚度從0增加到90 nm時，OSC光敏層內(nèi)部場強的變化趨勢如下：首先是先減小后增大、然后是先增大后減小。當(dāng)陽極修飾層厚度為20 nm時，OSC光敏層內(nèi)部場強最小；而當(dāng)陽極修飾層厚度為80 nm時，OSC光敏層內(nèi)部場強則最大，可見，陽極修飾層的最佳厚度為80 nm。

綜上所述，優(yōu)化的OSC器件結(jié)構(gòu)為Al(100 nm)/LiF(9 nm)/P3HT:PCBM(50 nm)/ PEDOT:PSS (80 nm)/ ITO(100 nm)。

圖3 陽極修飾層厚度對場強分布的影響

4 結(jié)論

本文以多層薄膜結(jié)構(gòu)的OSC作為研究對象，基于轉(zhuǎn)移矩陣?yán)碚摵蚈SC光吸收模型，利用MATLAB平臺模擬研究了陰極修飾層、光敏層和陽極修飾層的厚度與OSC內(nèi)部場強分布和光敏層內(nèi)部場強之間的關(guān)系。研究表明，功能層的厚度對它們具有不同程度的影響，薄膜厚度合適的陰極/陽極修飾層可以增強OSC光敏層內(nèi)部的場強，提高OSC器件的光伏性能。所以，功能層的厚度選擇及其優(yōu)化對于研制高性能OSC器件具有重要意義。