有機(jī)太陽能電池界面過程的分析

摘 要：近年來，在成本低、輕薄柔軟等優(yōu)點(diǎn)的作用下，有機(jī)太陽能的應(yīng)用范圍變得越來越廣泛，并吸引越來越多的研究人員對其進(jìn)行研究，界面過程的研究是有機(jī)太陽能研究中的重點(diǎn)，通過界面過程研究，有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率可以有效地提高，在文章中，重點(diǎn)分析了有機(jī)太陽能界面過程，旨在切實(shí)的提升光電轉(zhuǎn)化效率。

關(guān)鍵詞：有機(jī)太陽能電池；界面過程；光電轉(zhuǎn)化效率

前言

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中，能源的需求量不斷地增加，但當(dāng)前所使用的基本都是不可再生資源，導(dǎo)致能源短缺的問題越來越突出，而且環(huán)境也變得越來越差。有機(jī)太陽能電池作為清潔可再生資源，其研究與應(yīng)用受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，界面過程一直是研究人員研究的重點(diǎn)，目的在于提升有機(jī)太陽能電池利用過程中的光電轉(zhuǎn)化效率，由此，對有機(jī)太陽能電池界面過程的分析有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 有機(jī)太陽能電池陽極和功能層界面

電極/給體材料/受體材料/電極是有機(jī)太陽能電池常見的結(jié)構(gòu)[1]。給體/受體界面是有機(jī)太陽能電池光電流產(chǎn)生的關(guān)鍵因素，需要十分重視此界面激子的拆分。當(dāng)前，受體材料廣泛的采用C60，該材料由石墨提取而成，具有比較高的電子傳輸效率，屬于N型有機(jī)材料。但在有機(jī)太陽能功能層中，有機(jī)材料只有C60時(shí)，產(chǎn)生的光電流比較小，將鎂加入其中，作為陰極緩沖層，可將電池的性能有效地提高，并提升光電的轉(zhuǎn)化效率，但界面激子拆分的效率并未提高。從C60到ITO，電子具有非常快的注入速度，當(dāng)C60與ITO直接接觸時(shí)，在光照條件下，C60材料中的激子拆分之后，空穴會(huì)快速的與ITO中的電子復(fù)合。由此，通過對ITO/C60的界面修飾，界面復(fù)合有效地減少，當(dāng)功能層僅有一層C60材料時(shí)，有機(jī)太陽能電池的性能可以有效地提高。為了更好地研究功能層界面有機(jī)太陽能電池的性能，設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)。

1.1 實(shí)驗(yàn)過程

在本實(shí)驗(yàn)中，在有機(jī)太陽能電池中加入NPB插層，電池結(jié)構(gòu)為ITO/NPB/C60/tris-8-hydroxy-quinolinato alumminum/Al。在此結(jié)構(gòu)中，空穴傳輸層和陽極傳輸層為NPB、陰極緩沖層為tris-8-hydroxy-quinolinato alumminum，功能層為C60。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中以不加入NPB插層的太陽能電池作對比。首先按照規(guī)定的要求清洗ITO基片，完成后利用氮?dú)鈱⑵浯蹈?，吹時(shí)方向相同，隨后在樣品托中放置基片，在樣室例進(jìn)行氧等離子處理，時(shí)間為7分鐘，更換樣品托，在高真空有機(jī)室中進(jìn)行有機(jī)層生長，完成之后在無機(jī)室內(nèi)，進(jìn)行金屬鋁電極的生長[2]。器件會(huì)受到水和氧的影響，為了避免這種影響，測量工作于室溫下在手套箱中進(jìn)行。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將加入NPB插層的有機(jī)太陽能電池成為電池A，對照研究用的稱為電池B。在標(biāo)準(zhǔn)太陽光照條件下，通過I-V曲線可知，電池A的光電轉(zhuǎn)化效率明顯高于電池B，有機(jī)太陽能電池的性能得到有效提升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，有機(jī)太陽能電池中加入NPB插層之后，性能得到比較高的提升。

2 給體/受體界面電子和激子相互作用產(chǎn)生光電流

給體/受體界面的激子解離過程是有機(jī)太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率的主導(dǎo)因素，當(dāng)前普遍認(rèn)為，在給體/受體界面，光生激子首先要經(jīng)歷短程電荷對或電荷轉(zhuǎn)移態(tài)激子，接著，部分的電荷轉(zhuǎn)移態(tài)激子進(jìn)一步分離，最終形成自由載流子，部分依然再次成為激子[3]，因此，電荷轉(zhuǎn)移態(tài)激子、自由載流子和激子共同存在與給體/受體界面附近。研究發(fā)現(xiàn)，在載流子和激子之間，存在相互作用，進(jìn)而產(chǎn)生光電流，對此，在本文中對電子與激子的相互作用進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

在本實(shí)驗(yàn)中，在CuPc/C60的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了雙層平面型有機(jī)小分子太陽能電池（稱為電池A），結(jié)構(gòu)為ITO/CuPc（15nm）/C60（60nm）/Mloybdenum oxide（MoO3）（10nm）/Al（100nm），同時(shí)，設(shè)計(jì)對照用有機(jī)太陽能電池（稱為電池B），結(jié)構(gòu)為ITO/CuPc（20nm）/C60（40nm）/Alq3（5nm）/Al（100nm）。在電池A和電池B的結(jié)構(gòu)中，功能層包含兩個(gè)，一個(gè)是C60層，一個(gè)是CuPc層，各自的MoO3和Alq3為陰極緩沖層[4]。首先對ITO基片進(jìn)行清洗，清洗的方法與上述實(shí)驗(yàn)中方法相同，但在電池A制備過程中，基片并未進(jìn)行氧等離子處理。電池A和電池B制備完成之后，測量工作在室溫下于手套箱中進(jìn)行，測量儀器的正極連接ITO，負(fù)極連接Al，單色光下，計(jì)算出為外量子效率。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在電池A中，光生激子拆分后，形成自由電子和自由空穴，復(fù)合之后，重新生成激子。AM 1.5G模擬太陽光照射和暗態(tài)條件，繪制出I-V曲線，同時(shí)，在模擬光照條件下，將550nm波長加入進(jìn)去，通過濾光片，將相應(yīng)的I-V曲線繪制完成。由圖像顯示可知，在ITO層，電池A收集空穴，電池B收集電子，而在Al層，電池A則收集電子，電池B收集空穴，這說明，兩個(gè)電池具有相反的內(nèi)建電場方向。此外，在瞬態(tài)光電壓和外量子效率方面，電池A與電池B之間也存在比較大的差異性，在532nm激光脈沖下，白光偏光條件下，兩個(gè)電池的TPV極性是相反的，在紅條偏光條件下，電池A TPV產(chǎn)生的偏移是比較大的，而電池B并出現(xiàn)偏移。波長范圍在350nm～750nm之間時(shí)，電池A與電池B的外量子效率也存在比較差的差異，無偏光條件時(shí)，兩個(gè)電池均能夠良好的響應(yīng)太陽光光譜，有偏光條件時(shí)，若偏光顏色不同，電池A的外量子效率并不會(huì)發(fā)生改變，而電池B在部分顏色偏光時(shí)，幾乎降至0。

電池A與電池B的功能層是相同的，因此光電流方向相反的主要原因在于陰極緩沖層不同，Al電極的功函數(shù)在MoO3的作用下，可以有效地提升。對于電池A來說，在兩個(gè)功能層中，激子都可以產(chǎn)生，在功能層界面，激子拆分為自由載流子，在內(nèi)建電場的作用下，電極收集這些自由的電子和空穴，促使光電流產(chǎn)生，因此，這兩個(gè)功能層的紫外-可見光吸收譜與外量子效率的響應(yīng)相對應(yīng)，550nm長波加入并通過濾光片之后，功能層界面中，激子數(shù)量減少僅發(fā)生在C60層，因此，電池A的短路電流減少比較少。當(dāng)斬波器頻率和單色光的光強(qiáng)變化發(fā)生變化時(shí)，電池A的量子效率并不會(huì)受到影響，由此說明，拆分與收集的效率都比較高，而偏光并不會(huì)對傳導(dǎo)電流產(chǎn)生影響，因此，電池A的光電流并不會(huì)受到界面過程激子的影響。而電池B與電池A電流產(chǎn)生的過程不同，因此，可能會(huì)受到一定的影響。無論是電池A的激子拆分，還是電池B的電子-激子相互作用，都在功能層界面中發(fā)生，顯然，在電池A中，同時(shí)存在著激子拆分和電荷-激子相互作用，進(jìn)而產(chǎn)生光電流。

3 結(jié)束語

有機(jī)太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率的高低直接影響其利用效率，而光電轉(zhuǎn)化效率又受到界面過程的影響，因此，通過對界面過程的研究，增加界面激子拆分的效率，促使有機(jī)太陽能電池性能的提升，從而有效地提高光電轉(zhuǎn)化效率，提升有機(jī)太陽能的利用效率，拓寬有機(jī)太陽能電池的應(yīng)用范圍，充分的發(fā)揮有機(jī)太陽能電池的作用，緩解能源危機(jī)，促進(jìn)社會(huì)及經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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[2]劉瑞遠(yuǎn)，孫寶全.有機(jī)物/硅雜化太陽能電池的研究進(jìn)展[J].化學(xué)學(xué)報(bào)，2015（3）：225-236.

[3]李衛(wèi)民，郭金川，周彬.溶劑揮發(fā)時(shí)間對體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池復(fù)合特性的影響[J].發(fā)光學(xué)報(bào)，2015（4）：437-442.

[4]卓祖亮，張福俊，許曉偉，等.退火處理提高P3HT：PCBM聚合物太陽能電池光伏性能[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2011（4）：875-880.

作者簡介：杜云霄，河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院13級功能材料專業(yè)。