HATCN作为阳极缓冲层掺杂剂的有机太阳能电池的性能研究

李丽丽，苏 斌，刘春波，王庆伟，车广波

(吉林师范大学环境友好材料制备与应用教育部重点实验室，吉林 四平 136000)

0 引言

近年来，有机太阳能电池(organic solar cells，OSCs)因制备工艺简单、可大面积制造、材料选择范围广、廉价、柔性等优点引起人们的广泛关注［1-3］.自1986年Tang C W报道了双层OSCs后［4］，科研工作者采用不同的材料和器件结构深入研究了小分子OSCs［5-7］，器件性能有了很大的提高，但是能量转化效率(PCE)与无机太阳能电池相比仍然很低［8］，因此如何提高OSCs的PCE是当前研究工作的重点之一.

根据国内外相关研究，通过在OSCs的给、受体中掺杂有机小分子光电材料，可以提高器件的开路电压(Voc)、短路电流密度(Jsc)或载流子迁移率等，从而提高器件的性能.Taim等人［9］将荧光材料rubrene掺杂到p-i-n型的p层即ZnPc中，获得了较高的 Voc，改善了器件的性能.Chan等人［10］将 rubrene掺杂到OSCs的给体酞菁铜(CuPc)中，由于掺杂扩大了光谱吸收范围，提高了激子扩散效率，进而获得了较大的Jsc，最大PCE达到5.58%.Umeda等人［11］将F4TCNQ分别掺杂于m-MTDATA和2-TNATA中，提高了器件的载流子迁移率，降低了串联电阻，使OSCs的Jsc和FF都有所增加，有效的改善了器件的性能.有机小分子HATCN(分子结构见图1左)由于具有较高的载流子传输性能、较好的成膜性和稳定性等特点［12-14］，因而被广泛应用到有机电致发光领域中，但目前还没有将HATCN应用在OSCs中作为掺杂材料的相应报道.本文以ITO/CuPc/C60/BCP/Al作为对比器件，将HATCN掺杂到给体CuPc中，制备了 ITO/HATCN:CuPc/CuPc/C60/BCP/Al，研究有机小分子HATCN对OSCs光电性能的影响.

图1 HATCN化学结构图(左)及器件结构示意图(右)

1 实验方法

将ITO导电玻璃(表面电阻为25 Ω/sq)作为衬底，先用酸对ITO玻璃进行刻蚀;然后用超声振荡清洗(溶剂依次为清洗剂、丙酮、乙醇和去离子水)，每次约10min，循环往复2～3次，直至ITO表面干净无污染;随后将清洗后的ITO玻璃干燥，最后进行紫外臭氧处理10min后放入真空镀膜室.利用真空镀膜设备依次将有机层及阴极Al沉积在预先处理好的ITO基底上.各有机层及金属沉积速率分别为1～2 Å/s和5～10 Å/s，沉积速率通过SI—TM206C六孔道石英晶体膜厚监控仪控制.制得的器件分别在暗处和光强为100 mW/cm2(AM 1.5G)太阳模拟器照射下，使用Keithley 2601型单通道系统源表测得光伏特性曲线即I—V曲线.实验过程中所有物理参数的测量均在室温条件下进行，未对器件进行封装.

2 结果与讨论

将优良的载流子传输材料HATCN掺入CuPc中，器件结构依次是:(1)为阳极ITO.(2)为阳极缓冲层HATCN:CuPc.(3)为电子给体层CuPc.(4)为电子受体层C60.(5)为阴极缓冲层BCP、6为阴极金属Al，如图1右所示.依照此器件结构制备如下系列OSCs:ITO/HATCN:CuPc(10nm)/CuPc(30nm)/C60(75nm)/BCP(9nm)/Al(150nm)，HATCN掺杂浓度依次为0%、2%、5%、10%、15%.材料HATCN、CuPc、C60和 BCP的 HOMO能级分别为9.5 eV、5.2 eV、6.2 eV 和7.0 eV，LUMO 能级分别为5.7 eV、3.5 eV、4.5 eV 和3.5 eV.

图2为不同掺杂浓度OSCs的J—V特性曲线.表1为不同掺杂浓度器件的光伏性能参数.器件的Voc、Jsc、填充因子(FF)和PCE随着HATCN掺杂浓度的改变而呈现一定规律的变化(见图3).从数据和变化趋势图可以看出，随着掺杂剂HATCN掺杂浓度的增加，OSCs的Voc、Jsc、FF和PCE总体呈现先增大后减小的趋势.当HATCN在CuPc中的掺杂浓度为5%时，OSCs的光电性能最好.在光强为100 mW/cm2的太阳能模拟器照射下，器件的Voc为0.48 V，Jsc为5.66 mA/cm2，填充因子(FF)为 0.48，PCE为1.30%.与未掺杂的器件ITO/CuPc/C60/BCP/Al相比，PCE提高了59%，这主要是归因于HATCN具有较高的电子迁移率［15］和非常低的LUMO能级，有利于给体上激子解离形成的空穴和HATCN的LUMO能级上注入的电子迅速地复合，从而增大了空穴的迁移率，有助于空穴传输，提高了OSCs的光电性能.不同掺杂浓度OSCs的光伏性能参数见表1.

图2 不同掺杂浓度OSCs的J—V特性曲线

图3 不同掺杂浓度OSCs的光伏性能变化趋势

表1 不同掺杂浓度OSCs的光伏性能参数

3 结论

本文报道了将具有较高电子迁移率和较低LUMO能级的有机小分子材料HATCN掺入到CuPc中作为OSCs的阳极缓冲层，系统的研究了ITO/HATCN:CuPc/CuPc/C60/BCP/Al的有机光电特性.研究结果表明，该有机小分子材料HATCN的应用，较大改善了器件的光伏性能，其他相关研究工作正在进行中.

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