聚合物太陽能電池結(jié)構(gòu)對(duì)光敏層光強(qiáng)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(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程訓(xùn)練中心，湖北 武漢 430074；2.中南民族大學(xué)智能無線通信湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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）

聚合物太陽能電池（PSC）具有環(huán)境友好、價(jià)格低廉、容易加工并制作成大面積柔性器件等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注，它在移動(dòng)供電、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[1-5]。

PSC的典型結(jié)構(gòu)為“三明治”夾心結(jié)構(gòu)，即將聚合物光敏薄膜夾于透明陽極和金屬陰極之間，通過光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生電壓、形成電流，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換[6-9]。由于PSC由多層薄膜組合而成，其光伏性能與功能層厚度密切相關(guān)[10]，因此功能層的厚度匹配對(duì)PSC器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其光伏性能改善具有重要作用。Matlab是目前普遍使用的一款科學(xué)計(jì)算軟件，它具有高效易學(xué)、數(shù)值計(jì)算能力和可視化功能強(qiáng)大等特點(diǎn)[11-14]，被廣泛應(yīng)用于模擬仿真、器件建模、圖像處理、量化分析等科學(xué)研究和教學(xué)領(lǐng)域中[15-22]。本文采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，利用Matlab軟件模擬計(jì)算，研究PSC結(jié)構(gòu)對(duì)光敏層光強(qiáng)以及器件內(nèi)部光強(qiáng)分布的影響。

1 研究方法

本文采用“ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al”PSC作為研究對(duì)象，其器件結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中ITO透明陽極和金屬Al陰極的厚度是固定的，分別為150 nm和100 nm。采用L16（45）正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[23-25]研究各功能層厚度對(duì)PSC內(nèi)部光強(qiáng)的影響，表1為實(shí)驗(yàn)因素水平表，其中因素A、B、C分別表示PEDOT:PSS陽極修飾層、P3HT:PCBM光敏層、LiF陰極修飾層，每個(gè)因素選取4個(gè)水平，如表1所示。

圖1 PSC結(jié)構(gòu)示意圖

表1 正交實(shí)驗(yàn)的因素水平表

當(dāng)波長為λ的光波從透明玻璃基底表面垂直入射進(jìn)入PSC后，光波將在多層薄膜結(jié)構(gòu)的PSC中傳播，并在PSC內(nèi)部多個(gè)界面發(fā)生反射和折射，根據(jù)轉(zhuǎn)移矩陣方法[26-27]，可以推導(dǎo)出第j層中任意位置（x）的光場(chǎng)強(qiáng)度（∣Ej（x）∣2）計(jì)算公式，如下[28]：

式（1）—（5）中：E0+為入射太陽光波的光電場(chǎng)；dj為第j層薄膜的厚度；Ej+為第j層薄膜內(nèi)部沿正方向傳播時(shí)太陽光波的光電場(chǎng)；Ej-為第j層薄膜內(nèi)部沿負(fù)方向傳播時(shí)太陽光波的光電場(chǎng)；nj為第j層薄膜的折射率；kj為第j層薄膜的消光系數(shù)。

根據(jù)L16（45）正交實(shí)驗(yàn)表，改變PSC中陽極修飾層、光敏層、陰極修飾層等各個(gè)功能層的厚度組合，根據(jù)公式（1）—（5）利用Matlab計(jì)算得到光場(chǎng)強(qiáng)度∣Ej（x）∣2，從而研究PSC內(nèi)部光強(qiáng)分布以及光敏層光強(qiáng)的變化規(guī)律，達(dá)到優(yōu)化PSC器件結(jié)構(gòu)的目的。

2 結(jié)果與討論

PSC內(nèi)部的光強(qiáng)分布如圖2所示，其中圖2（a）和圖2（b）分別為L16（45）正交表中實(shí)驗(yàn)編號(hào)1—8和9—16的光強(qiáng)曲線。圖2中，從左至右不同灰度、線型和線寬的曲線依次代表陽極、陽極修飾層、光敏層、陰極修飾層、陰極等區(qū)域中的光強(qiáng)分布情況，如黑色實(shí)線為PSC陽極修飾層的光強(qiáng)曲線、灰色虛線為PSC光敏層的光強(qiáng)曲線。從圖2看出，當(dāng)不同因素A、B、C采用不同水平進(jìn)行組合即改變電池各功能層的厚度時(shí)，PSC器件內(nèi)部的光強(qiáng)分布曲線明顯不同，對(duì)于實(shí)驗(yàn)編號(hào)5，各因素的水平組合形式為“A2B1C2”，即陽極修飾層、光敏層、陰極修飾層的厚度分別為15 nm、50 nm、1 nm時(shí)，PSC的陽極、陽極修飾層、光敏層、陰極修飾層、陰極等所在區(qū)域中的平均光強(qiáng)分別為1.061 a.u.、1.883 a.u.、1.226 a.u.、0.209 a.u.、0.013 a.u.；對(duì)于實(shí)驗(yàn)編號(hào)15，各因素的水平組合形式為“A4B3C2”，即陽極修飾層、光敏層、陰極修飾層的厚度分別為45 nm、70 nm、1 nm時(shí)，電池的陽極、陽極修飾層、光敏層、陰極修飾層、陰極等區(qū)域中的平均光強(qiáng)分別為0.937 a.u.、0.827 a.u.、1.486 a.u.、0.223 a.u.、0.014 a.u.。由此可見，PSC的器件結(jié)構(gòu)對(duì)電池內(nèi)部光強(qiáng)分布具有明顯的影響。

圖2 PSC內(nèi)部的光強(qiáng)分布曲線

正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的結(jié)果分析圖如圖3所示，其中圖3（a）為PSC光敏層中的平均光強(qiáng)數(shù)據(jù)，圖3（b）為不同因素水平時(shí)光敏層中光強(qiáng)的平均值。從圖3（a）可以看到，不同實(shí)驗(yàn)編號(hào)即不同的功能層厚度組合時(shí)，電池光敏層的平均光強(qiáng)明顯不同，實(shí)驗(yàn)編號(hào)10（A3B2C4）的平均光強(qiáng)為1.486 a.u.，實(shí)驗(yàn)編號(hào)4（A1B4C4）的平均光強(qiáng)最小為1.162 a.u.，而實(shí)驗(yàn)編號(hào)14（A4B2C3）的平均光強(qiáng)最大為1.591 a.u.，最大光強(qiáng)是最小光強(qiáng)的1.369倍。可見，器件結(jié)構(gòu)對(duì)PSC光敏層光強(qiáng)具有明顯的影響。從圖3（b）可以看出，光敏層的平均光強(qiáng)也與因素A、B、C的水平密切相關(guān)，其中，光強(qiáng)隨因素A、C的水平升高而增大，而隨因素B的水平升高先增大后減小。另外，對(duì)于因素A、B、C，其光強(qiáng)的變化范圍分別為1.191～1.473 a.u.、1.254～1.395 a.u.、1.291～1.381 a.u.，對(duì)應(yīng)的變化幅度分別是0.282 a.u.、0.141 a.u.、0.090 a.u.。結(jié)果表明，因素A（陽極修飾層）對(duì)PSC光敏層光強(qiáng)的影響最大，因素B（光敏層）次之，因素C（陰極修飾層）的影響最小。引入合適厚度的陽極或陰極修飾層可以增大PSC光敏層光強(qiáng)，從而提升電池的光伏性能，本文中PSC陽極修飾層、光敏層和陰極修飾層的優(yōu)化厚度分別為45 nm、60 nm和2 nm。

圖3 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的結(jié)果分析圖

3 結(jié)論

以多層薄膜結(jié)構(gòu)的PSC作為研究對(duì)象，利用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，通過Matlab軟件模擬研究了PSC結(jié)構(gòu)與電池內(nèi)部光強(qiáng)分布之間的關(guān)系。結(jié)果表明，各功能層厚度對(duì)光敏層光強(qiáng)具有不同程度的影響，厚度合適的陽極或陰極修飾層可以增加光敏層光強(qiáng)，提高電池的光伏性能。因此，功能層的厚度匹配及其器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)于提升PSC光伏性能具有重要作用。