有機(jī)小分子太陽(yáng)電池的研制.pdf

1、有機(jī)太陽(yáng)電池是目前正在研究的一種新型太陽(yáng)電池。與無(wú)機(jī)太陽(yáng)電池使用的材料相比，有機(jī)光電轉(zhuǎn)換材料具有原料來(lái)源廣泛，材料質(zhì)量輕，制造成本低，便于大面積制作，機(jī)械性能上具有柔性等優(yōu)點(diǎn)。因此有機(jī)太陽(yáng)電池的研究有利于光伏發(fā)電成本的進(jìn)一步下降，光伏發(fā)電的進(jìn)一步普及。有機(jī)太陽(yáng)電池將來(lái)可以作為其他太陽(yáng)電池的有效補(bǔ)充，有力推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
　　 本論文主要研究基于CuPc/C60的有機(jī)小分子太陽(yáng)電池，具體介紹了有機(jī)小分子太陽(yáng)電池的相關(guān)制備工藝，

2、如:ITO電極設(shè)計(jì)、電極的光刻制備、ITO表面預(yù)處理、有機(jī)材料和金屬陰極的蒸發(fā)鍍膜工藝等。以CuPc和C60為施主材料和受主材料，制備了單層肖特基結(jié)電池和雙層異質(zhì)結(jié)電池。由CuPc和Al形成肖特基結(jié)，CuPc吸收光子產(chǎn)生激子，激子在CuPc/Al界面附近分離成電子和空穴:在CuPc和C60界面附近形成了異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，CuPc和C60分別吸收對(duì)應(yīng)光波長(zhǎng)的光子形成激子，激子擴(kuò)散至CuPc/C60界面附近，分離成電子和空穴。制備的單層ITO/C

3、uPc/Al有機(jī)小分子肖特基結(jié)太陽(yáng)電池和ITO/CuPc/C60/Al雙層有機(jī)小分子異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池都具有一定的光電轉(zhuǎn)換效率。在對(duì)外輸出性能上，CuPc/C60異質(zhì)結(jié)電池比CuPc/Al肖特基結(jié)電池要優(yōu)異。光譜響應(yīng)范圍變寬，異質(zhì)結(jié)區(qū)的界面態(tài)密度降低，載流子在傳輸過(guò)程中的復(fù)合幾率減少等原因，使得雙層異質(zhì)結(jié)電池在短路電流密度、填充因子和轉(zhuǎn)換效率上都得到了提高。
　　 在本論文的主要理論章節(jié)，推導(dǎo)了兩薄膜的界面處光波電矢量的傳輸矩陣，以

4、及單一薄膜內(nèi)部光波的傳輸矩陣。通過(guò)光學(xué)傳輸矩陣的方法，本論文分析了CuPc/C60電池內(nèi)部的光強(qiáng)分布，并畫出了結(jié)構(gòu)為:ITO(220nm)/CuPc(20nm)/C60(40nm)/Al(100nm)電池內(nèi)部?jī)墒舾泄饩€(630nm和450nm光波)的光強(qiáng)分布圖。再利用計(jì)算光強(qiáng)分布的方法，計(jì)算出了在D/A界面兩側(cè)各一個(gè)激子擴(kuò)散長(zhǎng)度的區(qū)域內(nèi)的“有效”激子產(chǎn)量與CuPc和C60厚度的關(guān)系，得到電池的理論優(yōu)化結(jié)構(gòu)為:ITO(220nm)/Cu

5、Pc(15nm)/C60(40 nm)/Al(100 nm)。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)對(duì)以上結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析結(jié)果在C60厚度上達(dá)到了高度的吻合；而在CuPc厚度上存在Snm的誤差。在研究過(guò)程中進(jìn)行了多次簡(jiǎn)化和假設(shè)后取得的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間有如此量級(jí)的誤差也屬正常，說(shuō)明本論文分析的角度和方法、分析過(guò)程中的取舍都是比較合理的。
　　 在CuPc/C60有機(jī)小分子異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的C60和Al界面之間添加一層極薄的LiF絕緣層

6、，可以使電池的輸出性能得到大幅度提升。極薄的LiF并沒(méi)有對(duì)器件內(nèi)部的光強(qiáng)分布產(chǎn)生明顯的影響，它對(duì)電池性能的提升主要表現(xiàn)在電池的電學(xué)性能上。本論文通過(guò)MIS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)要解釋了LiF的作用--激子阻擋層和電子輸運(yùn)層(隧穿機(jī)制)，同時(shí)對(duì)C60起到一定的保護(hù)作用，防止其受到能量較高的Al原子轟擊。通過(guò)實(shí)驗(yàn)探尋了LiF修飾層的優(yōu)化厚度:當(dāng)LiF厚度為1.5nm時(shí)，電池性能最好:過(guò)薄和過(guò)厚分別對(duì)激子阻擋作用不明顯和過(guò)度阻擋電子傳輸。
　　 在研

7、究過(guò)程中還著重研究了基于CuPc/C60的有機(jī)小分子太陽(yáng)電池的穩(wěn)定性，包括雙層無(wú)LiF修飾層的CuPc/C60電池和有LiF陰極修飾層的CuPc/C60電池，提出了合理封裝時(shí)間的建議。對(duì)于無(wú)LiF修飾層的CuPc/C60異質(zhì)結(jié)電池，在大氣環(huán)境下放置一段時(shí)間性能會(huì)有所提高，其原因應(yīng)該是在C60和Al界面形成了一層極薄的Al2O3的激子阻擋層，降低了激子在C60和Al界面的復(fù)合幾率。但是隨著Al2O3厚度的增加，激子阻擋層同時(shí)也成為了載流子

8、阻擋層，從而造成了器件性能的下降。根據(jù)以上情況，建議ITO/CuPc/C60/Al電池制備完成后放置大約一小時(shí)，在Al2O3激子阻擋層形成后進(jìn)行封裝。而添加了LiF陰極修飾層后，Al陰極的氧化對(duì)于器件來(lái)說(shuō)不再起到積極作用，在LiF和Al表面形成的Al2O3將直接增大絕緣層厚度，阻礙電子的輸運(yùn)，因此添加LiF陰極修飾層的有機(jī)太陽(yáng)電池呈現(xiàn)出直接衰減的形式，并且LiF的致密性沒(méi)有Al2O3好，從而導(dǎo)致器件衰減較快，鑒于此上兩點(diǎn)，建議制備完成后