基于金屬透明電極的聚合物太陽(yáng)能光吸收的研究

李國(guó)龍

摘 要：利用超薄金屬電極可以制成半透明的聚合物太陽(yáng)能電池，從而使電池對(duì)入射太陽(yáng)光具有光譜選擇性吸收的特性。該文基于光學(xué)薄膜傳遞矩陣方法（TMM），針對(duì)Ca/Ag/ITO半透明陰極以及結(jié)構(gòu)為ITO/PEDOT：PSS/P3HT：PCBM/Ca/Ag/ITO的半透明太陽(yáng)能的光吸收及透射特性進(jìn)行研究。理論和實(shí)驗(yàn)表明：通過(guò)優(yōu)化半透明陰極厚度，器件在AM 1.5G 光照下的平均透過(guò)率高于30%，能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）為1.65%。

關(guān)鍵詞：聚合物太陽(yáng)能電池 超薄金屬電極 傳遞矩陣?yán)碚?光學(xué)吸收

中圖分類號(hào)：TM91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（c）-0001-03

Study on the Optical Absorption of Polymer Solar Energy Based on Metal Transparent Electrode

Li Guolong

（Key Laboratory of photovoltaic materials， Ningxia University，Yinchuan Ningxia，750021，China）

Abstract：Ultra-thin metal electrodes can be utilized to fabricate semitransparent polymer solar cells organic with spectral selectivity for solar radiation. Here， a stacked cathode of Ca /Ag /ITO and semitransparent polymer solar cell of ITO /PEDOT：PSS /P3HT：PCBM /Ca /Ag /ITO are investigated respectively by simulating light absorption and transmittance of the devices based on the transfer matrix method （TMM） of optical thin film. For semitransparent polymer solar cell with a 70 nm thick active P3HT：PCBM blend layer， an average transmission more than 30% is achieved with a high PCE of 1.65% under a radiation of AM 1.5G of 100 mW/cm2 .

Key Words：Polymer solar cell；Ultra-thin metal electrode；Transfer matrix method；Light absorption

聚合物太陽(yáng)能電池因其可溶液成膜的制備工藝、柔性且易于制備、光學(xué)吸收波長(zhǎng)的可調(diào)諧性以及大面積成膜的優(yōu)勢(shì)，目前受到全球相關(guān)領(lǐng)域科研工作者的廣泛關(guān)注[1]。通過(guò)真空鍍膜以及溶液成膜技術(shù)，單異質(zhì)結(jié)構(gòu)的聚合物太陽(yáng)能在AM 1.5G太陽(yáng)光照下的能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）目前已超過(guò)10%[2]。然而，受限于共軛聚合物的光學(xué)帶隙，單異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的聚合物太陽(yáng)能無(wú)法吸收太陽(yáng)光中的長(zhǎng)波成分。由此，選擇合適的半透明陰極并將多個(gè)光譜“互補(bǔ)”的光敏層串聯(lián)起來(lái)能夠拓寬聚合物太陽(yáng)能電池吸收光譜范圍[3]。目前，多種半透明陰極結(jié)構(gòu)已經(jīng)用于頂發(fā)射有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）以及半透明的有機(jī)太陽(yáng)能電池[4-5]。例如：有機(jī)太陽(yáng)能電池中使用Al、Ag等薄金屬作為透明陰極，提高了電池的光耦合效率[6]，此外，超薄銀納米層、C60：Au以及LiF/Al/Au多層結(jié)構(gòu)電極也作為透明電極應(yīng)用于級(jí)聯(lián)型有機(jī)太陽(yáng)能電池中[7]。

基于此，該文針對(duì)Ca/Al/ITO透明金屬陰極以及結(jié)構(gòu)為ITO/PEDOT：PSS/P3HT：PCBM/Ca/Al/ITO的聚合物太陽(yáng)能電池的光透射與器件吸收進(jìn)行研究，應(yīng)用TMM方法計(jì)算不同有機(jī)層厚度的器件光學(xué)吸收以及不同陰極膜層厚度的光透射，獲得結(jié)構(gòu)優(yōu)化的聚合物金屬透明電極結(jié)構(gòu)。

1 光學(xué)建模

聚合物太陽(yáng)能電池由介質(zhì)薄膜、聚合物薄膜以及金屬薄膜混疊而成。器件的光電場(chǎng)分布可以通過(guò)薄膜傳遞矩陣?yán)碚撚?jì)算得到。應(yīng)用該理論，可以計(jì)算層薄膜器件（共個(gè)界面）間的電場(chǎng)強(qiáng)度及器件上下表面的反射和吸收。當(dāng)均勻的聚合物薄膜沉積在基板上時(shí)，薄膜的特征矩陣為：

（1）

其中，，分別是薄膜和基板的復(fù)折射率。是薄膜位相厚度，是物理厚度。薄膜的反射率、透射率和吸收率分別為

（2）

（3）

（4）

其中，和是入射介質(zhì)（空氣）和基板的折射率，為空氣的折射率。根據(jù)（4）式，可以計(jì)算得到器件的光學(xué)吸收。

2 結(jié)果與討論

根據(jù)1節(jié)的光學(xué)薄膜理論，首先計(jì)算了結(jié)構(gòu)分別為ITO（100 nm）/PEDOT：PSS （40 nm）/P3HT：PCBM（100 nm）/Al（120 nm）的參比器件（Ref）以及ITO （100 nm）/PEDOT：PSS（40 nm）/P3HT：PCBM（100 nm）/Ca（10 nm）/Ag（10 nm）/ITO（60 nm）透明器件（transparent device）在500 nm入射光照下的器件內(nèi)光強(qiáng)分布，如圖1所示。

由圖1可見(jiàn)，透明器件內(nèi)的光強(qiáng)峰值位于P3HT：PCBM功能層內(nèi)，與參比器件相比沒(méi)有顯著變化，這有利于器件對(duì)入射光的有效吸收。光強(qiáng)峰值由參考器件的0.58降為0.41。入射光在穿過(guò)Ca（10 nm）/Ag（10 nm）/ITO（60 nm）透明陰極后，其透射光強(qiáng)仍然沒(méi)有截止。并且由此可知，透射陰極的各膜層厚度能夠影響出射光強(qiáng)的分布。這里，基于光學(xué)薄膜理論分析了透射陰極中ITO膜層厚度對(duì)器件的透射率及吸收率的影響，如圖2所示。endprint

在圖2中，計(jì)算了不同ITO厚度下器件的積分透射率與P3HT：PCBM功能層的積分吸收率，P3HT：PCBM功能層厚度為75 nm。首先，根據(jù)公式（3）、（4）對(duì)單光譜的器件透射率以及功能層的吸收率進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果在380 nm～780 nm整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)進(jìn)行積分，從而獲得積分透射率和積分吸收率。由圖2可知，ITO的厚度為50 nm時(shí)，透明電池具有最大的積分透射率；ITO的厚度為80 nm時(shí)，P3HT：PCBM功能層具有最大積分吸收率；當(dāng)ITO的厚度介于50 nm和80 nm之間時(shí)，電池的透過(guò)率與功能層的吸收率會(huì)趨于平衡；ITO的厚度為60 nm時(shí)，器件的透射率為42%，功能層的吸收率達(dá)到34%，即該厚度為ITO的最優(yōu)厚度，該結(jié)構(gòu)為器件的最優(yōu)陰極結(jié)構(gòu)。為了驗(yàn)證該理論分析的正確性，進(jìn)一步制備了最優(yōu)陰極結(jié)構(gòu)的器件，并與參比器件作了性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)。首先，在潔凈的ITO玻璃上采用旋涂工藝制備PEDOT：PSS（德國(guó)Baytron，AI4083）空穴傳輸層以及P3HT（臺(tái)灣機(jī)光，Nichem）：PCBM（臺(tái)灣機(jī)光，Nichem）共混層。其中，P3HT和PCBM按照質(zhì)量比為1.2：1溶于二氯苯（DCB），濃度為22 mg/ml。采用電子束蒸發(fā)分別沉積Ca、Ag、ITO膜層。使用上海科奧公司的外量子效率（IPCE）測(cè)試儀對(duì)兩種器件性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。

在圖3中，透明電池結(jié)構(gòu)為glass/ITO/PEDOT：PSS（40 nm）/P3HT：PCBM（75 nm）/Ca（10 nm）/Ag （10 nm）/ITO（60 nm），參比器件結(jié)構(gòu)為glass/ITO/PEDOT：PSS（40 nm）/P3HT：PCBM（75 nm）/Ca（10 nm）/Ag （100 nm）。由圖可知：兩種器件的外量子效率曲線形狀相似，在350 nm和375 nm處分別有一個(gè)肩部，產(chǎn)生的光譜平移是光學(xué)干涉效應(yīng)的結(jié)果。參比器件的外量子效率最大值接近60%，而透明電池的外量子效率在510 nm附近的最大值約為40%，較低的外量子效率源于透明電極對(duì)器件內(nèi)光電場(chǎng)分布調(diào)控能力的降低。對(duì)透明電池外量子效率在300 nm～700nm的光譜區(qū)進(jìn)行積分，進(jìn)一步得到器件的光電轉(zhuǎn)換效率為1.6%。

3 結(jié)語(yǔ)

該文基于光學(xué)薄膜傳遞矩陣方法（TMM），計(jì)算了結(jié)構(gòu)為ITO/PEDOT：PSS /P3HT：PCBM/Ca/Al/ITO的聚合物太陽(yáng)能電池的光透射與器件吸收。通過(guò)優(yōu)化Ca/Ag/ITO半透明陰極各膜層的厚度，使器件在可見(jiàn)光區(qū)的透過(guò)率高于30%，并且實(shí)驗(yàn)表明：在AM 1.5G標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光照下，器件的光電轉(zhuǎn)換效率約為1.65%。該Ca/Ag/ITO半透明陰極能夠用于聯(lián)接雙異質(zhì)結(jié)的疊層太陽(yáng)能電池器件。

參考文獻(xiàn)

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