超薄Ag透明电极的厚度对半透明有机太阳能电池光伏性能的影响

吕晓宇, 宁 君,2, 阿拉塔,2, 赵凤歧, 特古斯,2

(1.内蒙古师范大学 物理与电子信息学院,内蒙古 呼和浩特 010022;2.内蒙古自治区功能材料物理与化学重点实验室,内蒙古 呼和浩特010022)

有机太阳能电池具有重量轻、成本低廉、制备工艺简单、在柔性衬底上制备等优点,受到广泛关注[1-2]。经过几十年的发展,有机太阳能电池认证的最高能量转换效率(PCE)已超过17%[3-4],展现出了巨大的商业应用前景。由于半透明电池其半透明性可应用在光伏建筑一体化[5]、发电窗户[6]及绿色住宅等领域,被认为是非常有前景的光伏技术之一[7-8]。

目前,常用的透明电极有氧化铟锡(ITO)、石墨烯、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)、超薄金属(如Ag)薄膜。基于溅射法制备的ITO电极一般被用作底部电极。若没有高温处理,其ITO电极的电阻会很高,因此ITO电极不适合作为有机太阳能电池的顶部电极。石墨烯具有优异的光学性能,但大面积的单层或多层石墨烯的制备工艺复杂,成本高,很难大规模应用于透明电极[9]。PEDOT:PSS透明电极具有亲水性,会影响器件的稳定性[10]。超薄Ag透明电极具有较好的电学和光学性质,化学性质稳定,并且金属Ag薄膜制备工艺简单,非常适合作为半透明有机太阳能电池的顶部电极[11-12]。

本文制备了氧化铟锡(ITO)/氧化锌(ZnO)/聚-3己基噻吩(P3HT):[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PC61BM)/MoO3/Ag半透明有机太阳能电池,器件结构和能级匹配图如图1所示。通过改变Ag的厚度,系统研究了超薄Ag薄膜作为顶部电极时,半透明有机太阳能电池的透射率和光伏性能。

图1 ITO/ZnO/P3HT:PC61BM/MoO3/Ag的器件结构(a)和能级匹配(b)Fig.1 Diagram of ITO/ZnO/P3HT:PC61BM/MoO3/Ag,(a) Device structure (b) Energy level

1 实验

1.1 材料

氧化铟锡(ITO)导电玻璃购自华南相成科技有限公司; 乙酸锌、乙醇胺购自天津市致远化学试剂有限公司; 2-甲氧基乙醇购自Sigma-Aldrich; 1,2-二氯苯(DCB)购自Aladdin; 氯苯(CB)购自Acros; P3HT和PC61BM购自营口奥匹维特新能源科技有限公司。所有材料和化学试剂都没有进一步提纯。将 110 mg 醋酸锌溶解于1 mL的2-氧基乙醇中,并加入适量的乙醇胺,在60℃下搅拌1 h配制ZnO前驱溶液。

1.2 器件制备

ITO导电玻璃(方阻小于15 Ω/sq)在丙酮、清洗剂、去离子水、异丙醇中分别超声清洗15 min后,用UV-O3处理20 min。在ITO导电玻璃上将ZnO前驱溶液,以5 000 r/min的转速旋涂40 s,在200 ℃下退火1 h。制备活性层时,将17 mg P3HT和17 mg PC61BM加入1 mL DCB中,100 ℃搅拌2 h后再80 ℃搅拌8 h。在ZnO薄膜上,将有机溶液以1 000 r/min的转速旋涂30 s,在热台上125 ℃下热处理15 min。最后依次蒸镀10 nm MoO3和不同厚度的Ag(12、15、18、20、80 nm)电极,器件面积为0.03 cm2。

1.3 器件的表征设备

利用AAA级太阳模拟器(日本SAN-EI电子公司XFS-70S1)在强度100 mW/cm2的AM1.5 G光照下,基于Keithley 2400数字原表测试了器件的电流密度-电压(J-V)曲线。用Perkin-Elmer Lambda 35紫外可见光谱仪测试了不同厚度的透明电极Ag(12、15、18、20 nm)和半透明器件的透射光谱和反射光谱。用ZAHNER光电化学仪器测试了器件的外量子效率(EQE)。

2 结果与分析

图2(a)、(b)、(c)分别是光从玻璃(底部/B)和Ag电极侧(顶部/T)射入时超薄Ag透明电极(厚度为12、15、18、20 nm)的透射率和反射率曲线。从图2(a)、(b)中可以看出,在光波长为300～385 nm范围内,12 nm 的Ag透射率最高,最高值达到80.9%; 在光波长为386～900 nm范围内,15 nm的Ag透射率最高。这是因为12 nm的银膜层的厚度太薄,薄膜不连续,有很多微孔,所以对可见光有比较强的散射,导致在可见光的透射率比较低。结合图2(c)反射光谱图也可看出,随着Ag厚度的增加,薄膜表面结构逐渐连续均匀,Ag薄膜对光的反射率逐渐增大,对光的散射率逐渐减低。350～800 nm波长范围内的平均透射率(AVT)值见表1。15 nm的Ag电极的AVTB达到52.79%,AVTT达到52.63%。图2(d)和(e)是分别从底部和顶部对不同厚度的Ag电极(12、15、18、20 nm)的拍照对比,可以看出15 nm和18 nm的Ag电极具有较好的透光性。

图2 光从底部和顶部入射不同厚度的Ag透明电极的透射率曲线、反射率曲线及照片Fig.2 Transmissibility curve,reflectivity curve,photograph of light incident to different thickness from bottom and top of Ag transparent electrode注: (a) 光从底部射入不同厚度的Ag透明电极的透射率曲线; (b) 光从顶部射入不同厚度的Ag透明电极的透射率曲线; (c) 光从底部射入不同厚度的Ag透明电极的反射率曲线; (d) 从底部观察对不同厚度的Ag的照片; (e) 从顶部观察对不同厚度的Ag的照片。

表1 光波长350～800 nm范围内不同厚度Ag薄膜和半透明器件的平均透射率

为了研究Ag透明电极的厚度对器件透光性的影响,分别从器件底部和顶部两侧测试了器件(ITO/ZnO/P3HT:PC61BM/MoO3/Ag)透射光谱,结果如图3(a)和(b)所示。

图3 不同位置对不同厚度的Ag电极的ITO/ZnO/P3HT:PC61BM/MoO3/Ag器件透射光谱Fig.3 Transmission spectrums of Ag electrodes with different thicknesses from the different position of the devices

为了更好地对比基于不同厚度的Ag电极器件的透光性,计算了基于不同厚度的Ag透明电极的器件在光波长为350～800 nm范围内的平均透射率(见表1)。可以看出,基于12 nm的Ag透明电极的器件平均透射率最高,AVTB和AVTT都达到23.57%。其次是基于18 nm的Ag透明电极的器件平均透射率较高,AVTB达到22.97%,AVTT达到23.02%。15 nm的Ag透明电极的器件平均透射率低于18 nm的Ag透明电极的器件平均透射率,这是因为15 nm的Ag薄膜的表面连续性和均匀性低于18 nm的Ag薄膜,应用于器件后15 nm的Ag薄膜的表面不均匀性变化比18 nm的Ag薄膜不均匀性变化大,加强了对光的散射,导致15 nm的Ag透明电极的器件平均透射率略低于18 nm的Ag透明电极的器件平均透射率。

为了确定Ag透明电极厚度对器件光伏性能的影响,在AM1.5光照下(光强100 mW/cm2)测试器件的电流(J)-电压(V)曲线,用ZAHNER光电化学仪器测试了器件的外量子效率曲线,如图4(a)、(b)所示。从图4(a)中可知,随着Ag透明电极厚度的增加,短路电流(Jsc)也随之增加。这是因为随着Ag厚度的增加,Ag电极的表面密度增大,形成的网状结构空隙越小,对电子的收集越多,载流子浓度越大[13]。图4(b)EQE曲线也证实随着Ag电极厚度的增大,器件收集的电子增多。表2是基于不同厚度的Ag透明电极对应的器件光伏参数,随着透明Ag电极厚度的增加,Jsc和填充因子(FF)随着增大,从而导致能量转换效率(PCE)增大。在Ag电极的厚度达到18 nm时,器件的PCE达到2.70%,比不透光器件的PCE值3.93%降低21.95%。图4(c)为18 nm的Ag电极的半透明有机太阳能电池,可以通过电池清晰地看到后面的植物,具有较好的透光性与美观性。

图4 (a) 基于不同厚度的Ag电极的器件的J-V曲线; (b) 外量子效率曲线; (c) 基于18 nm的Ag电极的半透明有机太阳能电池Fig.4 (a) J-V curves of devices based on Ag electrodes with different thicknesses; (b) external quantum efficiency curves; (c) translucent organic solar cell based on Ag electrodes of 18 nm

表2 基于不同厚度的Ag电极的器件光伏性能参数(平均值由一组20个电池求得)

3 结论

通过调节Ag透明电极的厚度,制备了结构为ITO/ZnO/P3HT:PC61BM/MoO3/Ag的半透明有机太阳能电池。在光波长为350～800 nm范围内,厚度为12、15、18、20 nm的Ag透明电极的平均透射率分别为49.45%、52.79%、49.84%、48.24%。基于18 nm的Ag透明电极的器件PCE可达到2.70%,在光波长为350～800 nm范围内平均透射率可达23.02%,具有较高的应用价值。