反轉(zhuǎn)有機(jī)太陽能電池器件優(yōu)化與穩(wěn)定性研究.pdf

1、有機(jī)太陽能電池因具有成本低、重量輕、工藝簡單、機(jī)械柔性好等優(yōu)點(diǎn)和廣泛的商業(yè)化應(yīng)用前景，已成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)。為了使其盡快成為實(shí)用的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，必須綜合考慮效率、穩(wěn)定性和工藝三個重要方面。本論文研究工作的出發(fā)點(diǎn)即獲得效率更高、穩(wěn)定性更好、工藝更簡單的低成本有機(jī)太陽能電池，因此，本論文采用了P3HT:PCBM體異質(zhì)結(jié)光活性層來制作器件，選用反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)來提高器件穩(wěn)定性，重點(diǎn)研究了不同的界面修飾層來改善器件性能、不同的透明電極材料來降低成本

2、。本論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新性成果如下：
　　第一章介紹了論文的研究背景，并重點(diǎn)闡述了有機(jī)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池中反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)與界面修飾層的研究意義。第二章介紹了有機(jī)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的工作機(jī)理、器件測試與薄膜表征方法、理論計算方法以及器件結(jié)構(gòu)與制備工藝等內(nèi)容。前兩章為本論文研究工作的開展與深入打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。
　　第三章研究了常規(guī)和反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽能電池的光學(xué)和電學(xué)性能?；趥鬏斁仃?光學(xué)模型的理論計算結(jié)果表明，如果只考慮光學(xué)因

3、素，常規(guī)結(jié)構(gòu)和反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)器件光活性層中吸收光子總數(shù)和外量子效率均隨光活性層厚度波動增加。而除了干涉極大值對應(yīng)的光活性層厚度以外，反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)器件在不同光活性層厚度下均體現(xiàn)出更好的性能。如果在光學(xué)模型中引入電荷漂移長度作為電學(xué)影響因素，那么光活性層中將產(chǎn)生一個有效吸光區(qū)域，而且只有該區(qū)域內(nèi)吸收的光子會產(chǎn)生光電流。這時考慮到光學(xué)和電學(xué)因素的共同影響，反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)器件在光活性層較薄時性能更好；當(dāng)光活性層較厚時，常規(guī)結(jié)構(gòu)器件體現(xiàn)出更好的性能。同時，加入光

4、學(xué)調(diào)節(jié)層(界面修飾層)可以提高兩種器件的吸收光子數(shù)和外量子效率，但光活性層較厚時不再能夠改善反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)器件的性能。因此，有機(jī)太陽能電池中光子吸收與電荷傳輸過程對器件性能影響很大，而反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)器件比常規(guī)結(jié)構(gòu)器件具有更強(qiáng)的光子吸收能力，同時進(jìn)行合適的界面修飾后有潛力實(shí)現(xiàn)更高效的光電轉(zhuǎn)換。最后，兩種結(jié)構(gòu)的實(shí)際器件均獲得了3％以上的能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)，而反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)器件體現(xiàn)出更好的光伏性能。
　　第四章基于鋁(Al)摻雜氧化鋅(AZO)透明電

5、極，特別采用金屬Ca薄膜作為界面修飾層制備了高效ITO-free反轉(zhuǎn)有機(jī)太陽能電池：Glass/AZO/Ca/P3HT:PCBM/MoO3/Ag。結(jié)果表明當(dāng)只采用AZO陰極時，對應(yīng)器件的PCE只有1.34％，并可以觀測到明顯的光飽和現(xiàn)象，說明需要引入低功函數(shù)的界面修飾層來改善AZO的電子選擇性；當(dāng)采用AZO/Ca(5 nm)陰極時，Ca作為電子傳輸層和空穴阻擋層，降低了AZO的功函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了AZO/P3HT:PCBM界面的能級匹配，對應(yīng)

6、的器件在15 min光照后PCE從1.74％上升到2.69％，伴隨著與AZO/Ca的光電導(dǎo)變化密切相關(guān)的光飽和現(xiàn)象；當(dāng)采用超薄Ca(1 nm)界面修飾層時，實(shí)現(xiàn)了AZO/Ca/P3HT:PCBM界面的高效電子傳輸，對應(yīng)器件的PCE進(jìn)一步提高到3.17％，克服了光飽和現(xiàn)象，且在氮?dú)庵写鎯?個月后可以保持80％的效率初始值，該類器件的性能不僅接近國際一流水平，而且體現(xiàn)出與ITO基常規(guī)和反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)器件相當(dāng)?shù)腜CE和更好的穩(wěn)定性，同時AZO作為I

7、TO替代電極進(jìn)一步降低了工藝成本。
　　第五章中采用低溫水溶液法制備的ZnO作為界面修飾層，在AZO透明電極上制備了低成本的ITO-free反轉(zhuǎn)有機(jī)太陽能電池：Glass/AZO/ZnO/P3HT:PCBM/MoO3/Ag。該 ZnO制備方法具有工藝簡單、成本低、與柔性襯底和印刷工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，在較低退火溫度下即可獲得較高質(zhì)量的ZnO薄膜。研究表明：該ZnO界面修飾層不但可以有效改善AZO的電子選擇性，實(shí)現(xiàn)AZO/P3HT:PCB

8、M界面的能級匹配，而且可以在一定程度上提高AZO電極的透光率。當(dāng)ZnO的退火溫度為150 ℃時，對應(yīng)器件的PCE達(dá)到3.01％；當(dāng)ZnO的退火溫度降低到100 ℃時，器件仍可得到2.76％的PCE；所有器件均體現(xiàn)出良好的JV特性，未觀測到光飽和現(xiàn)象，同時獲得了與AZO/Ca基器件相當(dāng)?shù)腜CE和空氣穩(wěn)定性。
　　更進(jìn)一步，作者采用ZnO界面修飾層，在ITO電極上制備了反轉(zhuǎn)有機(jī)太陽能電池：Glass/ITO/ZnO/P3HT:PCBM

9、/MoO3/Ag，主要研究了不同ZnO退火溫度下器件的長期穩(wěn)定性，對應(yīng)器件的初始PCE平均值超過3％。在空氣-氮?dú)?空氣存儲氛圍的4320 h中，統(tǒng)計結(jié)果表明：當(dāng)ZnO的退火溫度為50-150 ℃時，所有器件均體現(xiàn)出良好的長期穩(wěn)定性，可以保持接近80％的PCE穩(wěn)定值。首先在空氣中的480 h，當(dāng)ZnO的退火溫度為80、100、150 ℃時，所有器件的PCE可以保持約90％的初始值，并體現(xiàn)出與短路電流密度相似的退化規(guī)律，而開路電壓和填充因

10、子保持相對穩(wěn)定；當(dāng)ZnO的退火溫度為70和50 ℃時，器件PCE體現(xiàn)出先升高再降低的變化趨勢。其次，選取氮?dú)?空氣氛圍模擬了已封裝器件在實(shí)際應(yīng)用中的長期空氣穩(wěn)定性。所有器件在氮?dú)夥諊麦w現(xiàn)出非常好的穩(wěn)定性，而再次接觸空氣后表現(xiàn)出類似于第一空氣存儲時期的退化過程。特別地，在第二個空氣存儲初期，大部分器件的光伏參數(shù)均有所提高，這與器件中氧濃度的變化和光浴處理中氧的解吸附密切相關(guān)?？傊?，反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)器件的光伏性能與穩(wěn)定性研究說明這種基于低溫水溶液