有机小分子太阳能电池实验教学平台建设

钟 建，邓 鸣，于军胜，吴援明，黄 江

(电子科技大学 光电信息学院，成都 610054)

有机小分子太阳能电池实验教学平台建设

钟 建，邓 鸣，于军胜，吴援明，黄 江

(电子科技大学 光电信息学院，成都 610054)

采用真空热蒸镀方法制备有机小分子太阳能电池并测试其光电性能，使学生了解有机小分子太阳能电池的结构及制备工艺，熟悉Keithley半导体测试仪的使用方法，绘制器件的电流电压曲线，计算有机小分子太阳能电池的各项性能参数；通过对器件中每一层薄膜的制备和功能的分析，理解太阳能电池的结构和工作原理，并运用于工艺实验环节，着力提升学生的实践能力。

有机小分子太阳能电池；实验教学平台建设；真空热蒸镀；实践能力

常用的有机材料主要是小分子材料和高分子聚合物材料。有机小分子光电转换材料具有低成本、可以加工成大面积的优点，有机小分子的合成、表征相对简单，化学结构容易修饰，可以根据需要增减功能基团且可以通过各种不同方式互相组合，以达到不同的使用目的。利用有机小分子材料可以恰当地模拟生物体内功能分子的作用，给光电转换机理研究和结构与性能的关系研究带来了许多方便之处。CuPc、Alq3就是一种常用的小分子材料。在各种报道中，主要有四种典型器件结构：单层结构、双层结构、三层结构及多层结构。

1 主要实验工艺教学设计

本实验室的建设目标是：力争建成一个集“光伏系统材料合成与表征、器件制备、光电性能测试及系统集成”的完整的本科教学综合实验平台。该实验平台能够创造性地完成该专业方向所涉及的本科各阶段的教学任务，争取在新能源领域处于国内领先水平，改变实验教学的从属地位，使理论教学与实验教学并驾齐驱，为高素质人才的培养打下了坚实的基础。实验平台是实施素质教育、创新教育，培养高科技人才的摇篮，实验教学是学生理论联系实际，巩固和延伸课堂知识不可缺少的重要一环，是培养学生实践能力和创新能力的基地。

1.1 工艺教学设计

由于ITO表面洁净度等对于器件性能的影响很大，故须采用严格的清洗步骤清洁基片。本文采用如下清洗步骤，可以得到较为满意的ITO清洁效果：依次用洗涤剂、丙酮、去离子水、乙醇超声清洗，每一步时间约15min；洁净后，置于洁净工作台并用红外灯烘烤，待基片烘干后移入真空蒸发台。

把清洗过的基片放入预处理腔中进行氧离子轰击，轰击条件为：预处理腔中充入氧气，气压为25Pa，时间为5min，电压为250V，电流为1.6mA。蒸镀之前，需要对基片进行等离子轰击，以进一步清除表面污渍，提高ITO表面的氧含量，达到增加功函数的目的。

试验使用的材料都经过了二次升华，CuPc在压强2.0×10-4Pa、温度310 ℃～350 ℃条件下进行蒸镀，C60在压强1.8×10-4Pa、温度310 ℃～360 ℃条件下蒸镀，Alq3在压强1.0×10-4Pa、温度140 ℃～150 ℃条件下蒸镀。器件结构为：ITO/CuPc(20nm)/C60(40nm)/Alq3(10nm)/Ag(100nm)。

在空气气氛和室温条件下，对以上未封装器件利用Keithley-4200测试其电流密度-电压(J-V)，开路电压V，短路电流密度J。所用有机材料CuPc、C60、Alq3，所用材料化学结构式如图1所示。

图1 实验中所使用有机材料的化学结构式

1.2 工艺实验步骤

太阳能电池的主要制备流程如图2所示。

图2 有机小分子太阳能电池制备工艺流程

实验步骤如下：

1)开启仪器，调节时间、温度。

2)将装好玻璃基片的清洗架放入盛有洗涤剂的烧杯中，将烧杯放入清洗器中超声；待到超声完成，取出清洗架，用去离子水冲洗。

3)将装好玻璃基片的清洗架放入盛有丙酮的烧杯中，将烧杯放入清洗器中超声；待到超声完成，取出清洗架，用去离子水冲洗。

4)将装好玻璃基片的清洗架放入盛有去离子水的烧杯中，将烧杯放入清洗器中超声；待到超声完成，取出清洗架。

5)将装好玻璃基片的清洗架放入盛有酒精的烧杯中，将烧杯放入清洗器中超声；待到超声完成，取出清洗架。

6)基片预处理。把清洗过的基片放入预处理腔中进行离子轰击，轰击条件为：预处理腔中充入氧气，气压为25Pa，时间为5min，电压为250V。蒸镀之前，需要对基片进行等离子轰击，以进一步清除表面污渍，提高ITO表面的氧含量，达到增加功函数的目的。

7)蒸镀。真空蒸镀是将待镀材料和被镀基板置于真空室内，采用一定方法加热待镀材料，使之蒸发或升华；然后，以原子或分子状态直接飞行到被镀基板表面从而凝聚成膜的工艺。以上实验工艺已在如图3所示的有机小分子太阳能电池实验教学平台上完成。

1为仪器控制台；2为传送杆；3为氧气罐；4为预处理室；5、8、10为腔室之间的挡板阀；6为有机薄膜蒸镀室；7为分子泵；9为金属电极蒸镀室；11为器件封装室；12为晶振显示仪；13为分子前级泵图3 有机小分子太阳能电池实验教学平台

2 器件的光电性能参数测试教学设计

测试仪器分为模拟光源与半导体特性测试设备。其中，模拟光源为高亮度点光源平行光源系统，使用型号为CHF-XM35-500W的氙-汞灯模拟大气质量为AM1.5的太阳光作为入射光源(大气质量为AM1.5时，辐照通量密度为100mW/cm2，国际上将AM1.5作为测量标准)；I-V特性采用半导体特性测试仪测量，如图4所示，其中，1为半导体特性测试仪KEITHLEY4200；2为氙-汞灯(CHF-XM35-500W)；3为光源挡板，用于控制光源的成像质量，为片子找到合适的光照位置作参考。由半导体特性测试仪测试出的I-V特性曲线的数据有：电流、电压。有机材料的光吸收率和透过率采用紫外-可见光分光光度计(UV1700)测量，如图5所示。

图4 测试光伏器件的I-V特性平台

图5 紫外-可见光分光光度计

紫外-可见光分光光度计的工作原理：由光源发出的光被分为两束，分别透射过参照样品和测试样品后，被载波器接受，载波器接收的信号被光电倍增管交换接收并转换为电信号，经模拟/数字电路转换后进行计算机程序处理，得到测试样品的透射率、反射率及吸收率等光学特性。

3 结束语

通过本实验室的实验教学，可使学生理解基于有机小分子太阳能电池器件的基本结构和基本工作原理，掌握其特性参数的测量原理与方法，熟悉有关的新能源薄膜器件制作工艺技术，学习常用半导体特性测试仪器设备的基本原理和操作、维护方法。该实验室的建成，将可进行与有机小分子太阳能电池相关的(包括：器件制备、光电性能测试及系统集成等)完整制作工艺教学，满足学生校内生产实习、毕业设计、日常开放实验教学的需要。

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Construction of Experimental Teaching Platform for Fabrication and Testing of Small Organic Molecule Solar Cells

ZHONG Jian, DENG Ming, YU Junsheng, WU Yuanming, HUANG Jiang

(College of Optoelectronic Information, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China)

Small organic solar photovoltaic devices were fabrication by the method of vacuum thermal evaporation, and then were tested by Keithley semiconductor source. Participation in the experiment helps students to comprehend the structures and the fabrication of thin-film solar photovoltaic devices, the use of the semiconductor source, and also learn how to plot the current-drive curves and calculate the performance parameters. Through preparation and analysis of each functional layer of photovoltaic devices, it is beneficial for students to fully understand the structures and the working mechanism. The experiments were committed to enhance practical ability and creative quality of students.

small organic solar photovoltaic devices; experimental teaching platform; vacuum thermal evaporation; practical ability

2013-12-25；修改日期: 2014-04-03

钟 建(1972-)，男，博士，副教授，主要从事显示技术、光电子器件等的教学、研究工作。

G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.06.044