柔性襯底上銅酞菁薄膜的生長(zhǎng)及其在有機(jī)太陽(yáng)電池中的應(yīng)用.pdf

1、由于柔性有機(jī)薄膜太陽(yáng)電池具有質(zhì)量輕、柔韌易加工、可大面積制備等優(yōu)點(diǎn)，因此利用低成本的有機(jī)半導(dǎo)體材料取代價(jià)格昂貴的晶體硅制造太陽(yáng)電池，具有十分重要的意義。銅酞菁(CuPc)和富勒烯(C60)對(duì)光的吸收具有互補(bǔ)性，可以覆蓋整個(gè)太陽(yáng)光譜。因此，選擇CuPc和C60作為光敏材料，利用鍍有氧化銦錫(ITO)的柔性聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)作為襯底，研制了柔性有機(jī)薄膜太陽(yáng)電池。
　　 不同于球形C60，平面結(jié)構(gòu)的CuPc是各向異性的，基

2、于CuPc和C60的太陽(yáng)電池光伏性能受CuPc分子在柔性PET-ITO襯底上排列取向的影響。因此，有必要研究薄膜制備條件對(duì)CuPc分子排列方式的影響。結(jié)果表明，柔性PET-ITO襯底上蒸發(fā)沉積的CuPc薄膜為α-晶型，(200)晶面，分子堆積成分子柱且分子柱軸平行于襯底表面，這意味著π電子云的重疊方向平行于襯底表面。考慮到太陽(yáng)電池中電荷傳遞方向垂直于襯底表面，為提高CuPc層空穴的遷移率，應(yīng)適當(dāng)控制CuPc薄膜的結(jié)晶度。CuPc薄膜的適

3、宜制備條件為：襯底溫度30℃，薄膜生長(zhǎng)速率10nm/min。
　　 基于CuPc和C60的柔性平面異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)電池研究表明，較低的襯底溫度和適當(dāng)?shù)腃uPc薄膜生長(zhǎng)速度有利于光伏性能的提高。太陽(yáng)電池的光吸收能力受CuPc薄膜和C60薄膜厚度的影響，當(dāng)兩者厚度分別為40nm和80nm時(shí)，光電轉(zhuǎn)換效率(η)為0.24％。在C60和鋁電極之間嵌入CuPc緩沖層，由于可以阻止激子向陰極擴(kuò)散，還能保護(hù)有機(jī)層在沉積Al電極時(shí)不被破壞，有利于

4、提高器件光伏性能。6～10nm的緩沖層可使η提高到0.57％。
　　 考慮到CuPc:C60共混膜的引入，可使給體和受體材料形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)互穿結(jié)構(gòu)，增大給體、受體接觸界面，促進(jìn)激子的拆分和電荷的傳輸，因此研究了柔性體相異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)電池PET-ITO/CuPc:C60/Al的光伏性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)襯底溫度為30℃、共混膜中CuPc含量為33％、共混膜厚度為100nm和共混膜生長(zhǎng)速率為10nm/min時(shí)，η達(dá)到0.82％。

5、　　 考慮到共混膜兩側(cè)增加純給體層和受體層，一方面可避免電子給體和電子受體與同一種電極接觸，另一方面可借助純給體層和受體層比共混膜更高的載流子遷移率，制備了柔性平面-體相混合型太陽(yáng)電池PET-ITO/CuPc/CuPc:C60/C60/CuPc/Al。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)襯底溫度為30℃、CuPc薄膜生長(zhǎng)速率為10nm/min、共混膜厚度為90nm、共混膜中CuPc含量為33％、CuPc緩沖層厚度為10nm時(shí)，開路電壓(Voc)為0.296V

6、，短路電流密度(Jsc)為0.76mA/cm2，填充因子(FF)為0.41，η為0.85％。
　　 考慮到柔性有機(jī)薄膜太陽(yáng)電池在制備和使用過(guò)程中的彎曲變形，因此對(duì)平面-體相混合型有機(jī)太陽(yáng)電池進(jìn)行了拉伸彎曲和壓縮彎曲試驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)拉伸彎曲曲率在0～1.2cm-1、壓縮彎曲曲率在0～1.35cm-1范圍內(nèi)變化時(shí)，太陽(yáng)電池光伏性能基本不隨彎曲曲率的變化而變化。若超出此范圍，拉伸彎曲將使Jsc和η有所下降；壓縮彎曲使Voc和η有所降