基于金属透明电极的聚合物太阳能光吸收的研究

李国龙

摘 要：利用超薄金属电极可以制成半透明的聚合物太阳能电池，从而使电池对入射太阳光具有光谱选择性吸收的特性。该文基于光学薄膜传递矩阵方法（TMM），针对Ca/Ag/ITO半透明阴极以及结构为ITO/PEDOT：PSS/P3HT：PCBM/Ca/Ag/ITO的半透明太阳能的光吸收及透射特性进行研究。理论和实验表明：通过优化半透明阴极厚度，器件在AM 1.5G 光照下的平均透过率高于30%，能量转换效率（PCE）为1.65%。

关键词：聚合物太阳能电池 超薄金属电极 传递矩阵理论 光学吸收

中图分类号：TM91 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（c）-0001-03

Study on the Optical Absorption of Polymer Solar Energy Based on Metal Transparent Electrode

Li Guolong

（Key Laboratory of photovoltaic materials， Ningxia University，Yinchuan Ningxia，750021，China）

Abstract：Ultra-thin metal electrodes can be utilized to fabricate semitransparent polymer solar cells organic with spectral selectivity for solar radiation. Here， a stacked cathode of Ca /Ag /ITO and semitransparent polymer solar cell of ITO /PEDOT：PSS /P3HT：PCBM /Ca /Ag /ITO are investigated respectively by simulating light absorption and transmittance of the devices based on the transfer matrix method （TMM） of optical thin film. For semitransparent polymer solar cell with a 70 nm thick active P3HT：PCBM blend layer， an average transmission more than 30% is achieved with a high PCE of 1.65% under a radiation of AM 1.5G of 100 mW/cm2 .

Key Words：Polymer solar cell；Ultra-thin metal electrode；Transfer matrix method；Light absorption

聚合物太阳能电池因其可溶液成膜的制备工艺、柔性且易于制备、光学吸收波长的可调谐性以及大面积成膜的优势，目前受到全球相关领域科研工作者的广泛关注[1]。通过真空镀膜以及溶液成膜技术，单异质结构的聚合物太阳能在AM 1.5G太阳光照下的能量转换效率（PCE）目前已超过10%[2]。然而，受限于共轭聚合物的光学带隙，单异质结结构的聚合物太阳能无法吸收太阳光中的长波成分。由此，选择合适的半透明阴极并将多个光谱“互补”的光敏层串联起来能够拓宽聚合物太阳能电池吸收光谱范围[3]。目前，多种半透明阴极结构已经用于顶发射有机发光二极管（OLED）以及半透明的有机太阳能电池[4-5]。例如：有机太阳能电池中使用Al、Ag等薄金属作为透明阴极，提高了电池的光耦合效率[6]，此外，超薄银纳米层、C60：Au以及LiF/Al/Au多层结构电极也作为透明电极应用于级联型有机太阳能电池中[7]。

基于此，该文针对Ca/Al/ITO透明金属阴极以及结构为ITO/PEDOT：PSS/P3HT：PCBM/Ca/Al/ITO的聚合物太阳能电池的光透射与器件吸收进行研究，应用TMM方法计算不同有机层厚度的器件光学吸收以及不同阴极膜层厚度的光透射，获得结构优化的聚合物金属透明电极结构。

1 光学建模

聚合物太阳能电池由介质薄膜、聚合物薄膜以及金属薄膜混叠而成。器件的光电场分布可以通过薄膜传递矩阵理论计算得到。应用该理论，可以计算层薄膜器件（共个界面）间的电场强度及器件上下表面的反射和吸收。当均匀的聚合物薄膜沉积在基板上时，薄膜的特征矩阵为：

（1）

其中，，分别是薄膜和基板的复折射率。是薄膜位相厚度，是物理厚度。薄膜的反射率、透射率和吸收率分别为

（2）

（3）

（4）

其中，和是入射介质（空气）和基板的折射率，为空气的折射率。根据（4）式，可以计算得到器件的光学吸收。

2 结果与讨论

根据1节的光学薄膜理论，首先计算了结构分别为ITO（100 nm）/PEDOT：PSS （40 nm）/P3HT：PCBM（100 nm）/Al（120 nm）的参比器件（Ref）以及ITO （100 nm）/PEDOT：PSS（40 nm）/P3HT：PCBM（100 nm）/Ca（10 nm）/Ag（10 nm）/ITO（60 nm）透明器件（transparent device）在500 nm入射光照下的器件内光强分布，如图1所示。

由图1可见，透明器件内的光强峰值位于P3HT：PCBM功能层内，与参比器件相比没有显著变化，这有利于器件对入射光的有效吸收。光强峰值由参考器件的0.58降为0.41。入射光在穿过Ca（10 nm）/Ag（10 nm）/ITO（60 nm）透明阴极后，其透射光强仍然没有截止。并且由此可知，透射阴极的各膜层厚度能够影响出射光强的分布。这里，基于光学薄膜理论分析了透射阴极中ITO膜层厚度对器件的透射率及吸收率的影响，如图2所示。endprint

在图2中，计算了不同ITO厚度下器件的积分透射率与P3HT：PCBM功能层的积分吸收率，P3HT：PCBM功能层厚度为75 nm。首先，根据公式（3）、（4）对单光谱的器件透射率以及功能层的吸收率进行计算，并对计算结果在380 nm～780 nm整个可见光区进行积分，从而获得积分透射率和积分吸收率。由图2可知，ITO的厚度为50 nm时，透明电池具有最大的积分透射率；ITO的厚度为80 nm时，P3HT：PCBM功能层具有最大积分吸收率；当ITO的厚度介于50 nm和80 nm之间时，电池的透过率与功能层的吸收率会趋于平衡；ITO的厚度为60 nm时，器件的透射率为42%，功能层的吸收率达到34%，即该厚度为ITO的最优厚度，该结构为器件的最优阴极结构。为了验证该理论分析的正确性，进一步制备了最优阴极结构的器件，并与参比器件作了性能对比实验。首先，在洁净的ITO玻璃上采用旋涂工艺制备PEDOT：PSS（德国Baytron，AI4083）空穴传输层以及P3HT（台湾机光，Nichem）：PCBM（台湾机光，Nichem）共混层。其中，P3HT和PCBM按照质量比为1.2：1溶于二氯苯（DCB），浓度为22 mg/ml。采用电子束蒸发分别沉积Ca、Ag、ITO膜层。使用上海科奥公司的外量子效率（IPCE）测试仪对两种器件性能进行测试，结果如图3所示。

在图3中，透明电池结构为glass/ITO/PEDOT：PSS（40 nm）/P3HT：PCBM（75 nm）/Ca（10 nm）/Ag （10 nm）/ITO（60 nm），参比器件结构为glass/ITO/PEDOT：PSS（40 nm）/P3HT：PCBM（75 nm）/Ca（10 nm）/Ag （100 nm）。由图可知：两种器件的外量子效率曲线形状相似，在350 nm和375 nm处分别有一个肩部，产生的光谱平移是光学干涉效应的结果。参比器件的外量子效率最大值接近60%，而透明电池的外量子效率在510 nm附近的最大值约为40%，较低的外量子效率源于透明电极对器件内光电场分布调控能力的降低。对透明电池外量子效率在300 nm～700nm的光谱区进行积分，进一步得到器件的光电转换效率为1.6%。

3 结语

该文基于光学薄膜传递矩阵方法（TMM），计算了结构为ITO/PEDOT：PSS /P3HT：PCBM/Ca/Al/ITO的聚合物太阳能电池的光透射与器件吸收。通过优化Ca/Ag/ITO半透明阴极各膜层的厚度，使器件在可见光区的透过率高于30%，并且实验表明：在AM 1.5G标准太阳光照下，器件的光电转换效率约为1.65%。该Ca/Ag/ITO半透明阴极能够用于联接双异质结的叠层太阳能电池器件。

参考文献

[1] Li G，et al.High-efficiency solution processable polymer photovoltaic cells by self-organization of polymer blends[J].Nat.Mater，2005，4（11）：864-868.

[2] Green M A，Emery K，Hishikawa Y，et al.Solar cell efficiency tables（Version 45）[J].Progress in photovoltaics：research and applications，2015，23（1）：1-9.

[3] Sista S.，Hong Z.R.，Chen，L.M.，et al.Tandem polymer photovoltaic cells-current status，challenges and future outlook[J].Energy Environ.Sci.，2011，4：1606-1620.

[4] Li Y.Q.，Tan L.W.，et al. Flexible top-emitting electroluminescent devices on polyethylene terephthalate substrates[J].Appl.Phys.Lett，2005，86（15）：1-3.

[5] Bailey-Salzman R.F.，Rand B.P.，Forrest S.R. Semitransparent organic photovoltaic cells[J].Appl.Phys. Lett，2006，88（23）.

[6]OConnor B.，An.K.H.，Pipe K.P.，et al.Enhanced optical field intensity distribution in organic photovoltaic devices using external coatings[J].Appl.Phys. Lett，2006，89（23）.

[7] Shrotriya V.，Wu E.H.E.，Li G.，et al.Efficient light harvesting in multiple-device stacked structure for polymer solar cells[J].Appl. Phys. Lett，2006，88（6）：4104.endprint