阴极缓冲层对有机小分子太阳能电池性能影响的研究

湖南铁道职业技术学院 刘红兵

引言

有机小分子太阳能电池因具备质轻体薄、提纯简单、制备容易、能根据需要柔性弯曲、价格低廉、对环境要求低等优势特点得到了人们的极大关注。自80年中期C.W.Tang等人根据无机异质结太阳能电池的结构原理，开创性地研究并制备了CuPc/PTCBI的双层异质结OPV器件以来，激起了世界各国有机微电子学方向的专家和学者兴趣爱好，他们借鉴无机太阳能电池器件的光伏机理作用，对有机小分子太阳能电池新材料的化学合成、OPV器件退火工艺等制备方法深入研究并取得了卓越成效。近年来，在必要的实验室条件下，有机小分子太阳能电池的转换效率突破了百分之十。一般实验中为了提高OPV器件的转换效率，常采用C60作为受体材料，并在C60与金属层中间添加BCP缓冲层来实现阻挡激子的淬灭作用，同时能完成保护阴极器件制备中的高温破坏，及在器件光场分布中实现光学隔离的作用。但是，世间万物不可能完善，这种以BCP为材料的阴极缓冲层在OPV器件制备环境中容易被制备附属的水蒸气和氧气所干扰，很容易产生BCP的结晶体，导致OPV器件的光伏性能不稳定的后果。本文从器件材料能级、电子迁移率对OPV器件光伏性能的影响入手，想方设法阻止水蒸气和氧气扩散到有机功能层，制备并优化有机小分子阴极缓冲层应用到薄膜太阳能电池中，并采用新工艺研制有机小分子新材料，对其理论进行仿真试验。

1 实验

本实验选用了美国Al dr ich公司的CuPc和P3HT作为实验的给体材料，C60和PCBM作为受体材料，阴极缓冲层选用了BCP、Bphen、TPBi和Al q3，这些材料的纯度都在百分之九十九以上。实验器材是选用了武汉大江微电子有限公司的OLED-V型真空成膜设备及有机小分子制备光伏OPV器件。采用2cm×2cm方块电阻值为10欧姆，掺锡氧化铟导电玻璃作为基板，器件结构选用ITO/CuPc/C60/阴极缓冲层/Ag，分别采用清洗剂、酒精、丙酮等依次进行超声波清洗，并用纯净氮气风干后进行过氧等离子处理。之后在OLED-V型真空成膜设备上进行CuPc的蒸镀、C60氧等离子处理、阴极缓冲层蒸镀、金属电极Ag的制备，工艺条件优化成氧气流量23sccm、放电功率32W、处理时间2min，有机材料的真空度为2×10-4Pa，金属材料的真空度为4×10-3Pa。将PCBM的溶剂在常温避光下搅6h，制备中小分子太阳能电池薄膜厚度是通过测试溶液浓度、旋转涂敷速度及时间来加以区别，基本参数为：环境温度150摄氏度下烘烤5min、旋转涂敷速度1500r pm，台阶仪测试薄膜的厚度、CHF-XM35-500W氙灯模拟太阳光。在室温20摄氏度、1个标准大气压环境下，利用半导体分析仪Keit hl ey-4200测试其电流-电压(I-V)特性曲线。

2 结果与讨论

图1用来说明Bphen阴极缓冲层厚度对OPV器件开路电压、效率等参数性能的影响，从图中清晰能分辨出阴极缓冲层厚度对OPV器件开路电压VOC的影响比较小。同时，从图中可以看出当缓冲层厚度达到2.45nm时，即JSC，FF和ηp达到最大，此时OPV器件的效率从没有加缓冲层的1.05%提高到最大值2.27%，而继续把缓冲层厚度加大到19.5nm后，OPV器件开路电压、效率等参数就下降至50%以下。由此实验结果能说明，一是OPV器件开路电压VOC与缓冲层Bphen厚度的关系不大，它主要受给体、受体材料之间的HOMO能级与LUMO能级的能量差影响；二是缓冲层Bphen厚度变厚时，器件OPV效率参数性能下降受与其相串联的电阻值变大引起的。

图1 阴极缓冲层厚度对器件性能的影响

图2 器件OPV的J-V特性曲线

图3 器件OPV的功率曲线

图2 是用来表征结构为ITO/CuPc/C60/Al q3/Ag的器件OPV在没有光照条件下（黑暗状态）和有光照条件下（80 mW/cm2）的J-V特性曲线关系。从图2中明显能看出OPV器件的JSC，VOC、FF和ηp参数明显低于10%。由此实验结果表明，阴极缓冲层材料Al q3能对C60在Ag沉淀过程中起到保护作用，从而提升了阴极收集自由电子的能力达到增强器件J-V特性性能。图3用来检验制备的OPV器件在特定区域(V0-V=0.4 V)和饱和区域(V0-V=1V)的功率曲线。从图3能分辨出两条斜率S为0.73和0.83的直线，表明Jph与入射光功率在上述特定区域内具有四分之三次方的关系，说明了缓冲层对ITO/CuPc/C60/Al q3/Ag器件起到了限制光生电流的作用。

3 总结

本文通过制备的Bphen阴极缓冲层，对结构为ITO/CuPc/C60/Al q3/Ag的OPV器件克服因为水和氧气而造成结晶体的实验结果表明，增加缓冲层后器件的开路电压VOC的变化比较小，同样JSC和FF也得到较大的提升。实验中对比了用不用阴极缓冲层的实验结果，充分说明，增加缓冲层有利于提升有机小分子太阳电池的填充因子FF、开路电压VOC和短路电流ISC，对改善OPV器件光伏性能具有非常重要的意义。

[1]叶春暖,范智勇,杨剑,等.Ag(TCNQ)纳米晶须的生长机理[J].真空科学与技术学报,2004(24).

[2]A.Moliton,and J.M.Nunzi,Review:How to model the behaviour of organic photovoltaic cells,Polym.Int.2006(55).

[3]郭文阁,郑建邦,等.基于宽带隙P-I-N结构的高效有机小分子太阳电池[J].太阳能学报,2006(22).

[4]Y.Shao,and Y.Yang,Small molecular weight organic thin-film photodetectors and solar cells,Adv.Mater.2005(17).