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250ç网络出版时间:2015-03-2614:05网络出版地址:轻工科技2015年3月第3期(总第196期)LIGHTINDUSTRYSCIENCEANDTECHNOLOGY机械与电气有机薄膜太阳能电池异质结界面特性研究刘红兵,郭辉(湖南铁道职业技术学院,湖南株洲412001)【摘要】有机薄膜太阳能电池具有制备工艺简单、柔性、质轻及低成本等优势,虽目前转换效率较低,但为人类解决能源问题开辟了新局面。针对如何提高有机薄膜太阳能电池器件效率和稳定性问题,从器件结构、原理及研究现状入手,分析研究加热退火温度对CuPc晶体薄膜和C60相互交叉的体异质结器件光伏性能的影响。【关键词】有机薄膜太阳能电池;器件结构;效率;制备【中图分类号】TK573【文献识别码】A【文章编号】2095-3518(2015)03-25-02能源紧缺已成为目前全球性需要迫切解决的重大问题[1,2]。而太阳能作为世界上取之不尽、用之不竭的绿色能源,近年来成为科学家们研究和开发的热门话题。尤其是我国人口众多,能源资源相对匮乏,人均能源资源占有量不到世界平均水平的一半。加上人们心头挥之不去的“雾霾”[3]。发展绿色能源与可再生能源成为解决我国能源问题和减少环境污染的有效方法。虽然单晶硅太阳电池经过几十年的发展,已经研究得很成熟,在现阶段的应用和工业生产中占主导地位,但同时也存在一些问题,最主要的是成本过高[4-6]。作为单晶硅电池的替代产品,近几年来薄膜太阳电池成为研究的热点,其中包括非晶硅薄膜太阳能电池、硒铟铜和碲化镉薄膜电池、多晶硅薄膜太阳能电池和有机薄膜太阳能电池。由于有机薄膜太阳能电池的制造工艺简单,同时具有重量轻、小型、柔性等特点得到了人们的极大关注。有机薄膜太阳能电池一般以有机小分子或聚合物薄膜作为MO能级到LUMO能级分子间跃迁。有机材料中电子在跃迁中必须克服明显的势垒,明显低于无机半导体材料的迁移率[5]。有机薄膜太阳能电池原理与无机半导体材料形成自由电子和空穴不同,有机半导体材料中会形成电子-空穴对,即激子。当光照射到半导体材料上被吸收后,若光子的能量大于有机材料的禁带宽度E时就会产生激子(在静电力作用结合下的电子-空穴对);激子在光伏器件中因浓度差扩散,之后是激子的分离过程,最后,电子到达一个电极,一般是阴极,同时空穴到达另一个电极,一般是阳极,当电子运动到阴极而空穴运动到阳极时外电路中就有电流通过[5,6]。1.2性能参数在没有光照的条件下,有机太阳能电池其特性相当于一个二极管,其正向偏压V与通过电流I之间的关系符合肖克莱方程。光敏感层。其中,给体-受体型异质结电池是有机太阳能电池中一种最基本的结构类型,近年来对其理论、结构设计和制备工艺æqV1I=IekTèö-1÷ø(1)已做了大量的研究工作。但离有机薄膜太阳能电池的实用化还比较远。特别是与传统的无机材料太阳电池相比,有机薄膜太阳电池的效率(5%左右)、可靠性和使用寿命都还比较差。因此,有机薄膜太阳能电池的研究成为了当前国际、国内微电子器件、化学和能源领域最为热门的研究课题[6]。1器件的原理与性能参数1.1器件结构原理采用真空蒸镀方法制备的基于异质结的有机薄膜太阳能电池器件,在生产制备上有一定的优势,不仅容易对各种薄膜材料进行提纯,还能制备成多层薄膜结构。通常,有机薄膜太阳能电池器件结构由阳极、给体材料、受体材料和阴极组成。有机材料与无机材料不同,它不容易形成单晶结构,原子间相互作用弱,大多数是以无定形或者多晶的长程无序结构存在,且分子间主要通过范德华力(VanderWaalsforce)形成具有最高占有分子轨道能级(HOMO)和最低未占有分子轨道能级(LUMO)的形式。这种能隙类似于无机半导体中的禁带,电子通过热激发从HO-式中q为电子电荷,V1为结电压,T为绝对温度,K为玻耳兹曼常数,I0为反向饱和电流。在光照条件下,有机太阳能电池理想情况的电流-电压曲线如图1所示。图1有机太阳能电池的电流-电压曲线但实际中,存在的电极电阻和载流子陷阱都会引起迁移率的下降,也就相当于增大器件的串联电阻(RS),另外器件中存在【第一作者】刘红兵(1975-),男,湖南株洲人,副教授,研究方向:电子技术应用专业的理论和实践教学。【基金项目】本文系2013年湖南省教育厅科学研究项目“新型高效有机小分子太阳能电池的研究”(项目编号:13C593)的研究成果260ç的漏电流和电子-空穴对的复合同样会降低器件并联电阻(Rp)的阻值。因此考虑上述因素后,在光照条件下有机太阳能电池的电流-电压关系式可以修改为:有机薄膜太阳能电池异质结界面特性研究主要是对CuPc薄膜加热退火后,使CuPc形成垂直于ITO基板的纳米杆状结构,这样就提高了CuPc薄膜的空穴迁移率。当退火温度逐渐增æqV1I=IekTèö-1÷+øV-IRSARpA-Iph(2)加时,CuPc晶体颗粒会越来越大,垂直于基板表面生长。退火温度逐渐增大到300℃时,CuPc晶体颗粒就平行于ITO基板生式中A是器件的有效面积,Iph是光生电流。根据有机太阳能电池的结构原理,其中开路电压Voc定义为最大限度补偿因光电池器件异质结被分开的少数载流子全部积累而形成的接触势垒,产生的最大光生电动势[4]。短路电流Isc被定义为因异质结分开而造成不能积累的少数载流子全部流经外回路而形成的电流。器件外量子效率(EQE)被定义为EQE=ηAηEDηCTηCC,其中ηA是光吸收效率,ηED是激子扩散效率,ηCT是电荷传输效率,ηCC是电荷收集效率。有机太阳能电池功率转化效率(ηp)被定义为器件输出的最大功率与入射光功率(Pin)的比值。2异质结器件制备与性能研究迄今为止,人们的注意力主要集中在怎样提高ηA和ηED,进而提高太阳能电池的外量子效应和能源转换效率(ηp)[5]。为此,人们的研究主要集中在提高有机材料的激子扩散长度和光吸收效率,同时也提出了许多新颖的器件结构,包括体异质结构,叠层结构和并四苯(rubrene)掺杂的太阳能电池,和制造技术(真空蒸发、溶液法和旋涂法等)。为了提高如图2(a)所示的常见有机太阳能电池给体/受体平面异质结结构的效率,一般会在小分子器件和聚合物中加入了混合异质结结构,如图2(b)所示。这种器件的结构中,激子扩散到相互交叉的给体、受体界面处就能进行分离,有效地克服了激子扩散长度有限的限制。但是它还是存在给体和受体分离较难控制的问题,从而造成混合薄膜中给体、受体材料的交叉网络,影响激子分离后形成的载流子传输[7]。(a)(b)(c)图2有机给体-受体异质结结构示意图Yang等人采用的有机气相沉积方法(OVPD)得到有序的体异质结结构,进一步提高了载流子的收集和分离效率。如图2(c)所示的CuPc晶体薄膜和C60之间形成可控制的体异质结,增大了界面面积,同时降低了器件的电阻。这些方法使有机小分子太阳电池的能量转换效率有所提高(最大到了5.58%)。长。在薄膜的XRD测试和光吸收测试中,发现加热退火过程中,CuPc薄膜实现了从α相到β相的转变。衍射峰从7.12°移到7.48°,吸收峰分别从617nm、693nm红移到640nm、716nm。而且采用经过不同退火温度处理的CuPc薄膜,制备相互交叉的体异质结结构的CuPc/C60器件。对CuPc薄膜在100℃条件下加热退火1h后,器件的效率从0.63%提高到1.47%,617nm处的EQE从20%提高到40%。器件性能的提高主要是由于CuPc和C60之间形成了较理想的体异质结结构,增加了激子的分离界面面积,同时由于空穴迁移率的提高,提高了载流子的传输和收集效率[7]。3总结根据上面所述及目前使用的CuPc薄膜体异质结器件的特点,减少有机材料和电极接触的接触电阻以及增大有机施主材料CuPc的有效迁移率可以提高载流子的传输和收集效率。同时,通过退火来调整CuPc的晶粒大小和激子扩散长度,提高CuPc薄层载流子的迁移率。最终保证在电极和施主材料CuPc之间达到最佳的载流子迁移,使之与C60的电子迁移率有效匹配,从而有效的提高有机薄膜太阳电池的短路电流密度、增大填充因子、保持开路电压,提高太阳电池的能量转换效率。这无疑是一项非常有科学研究价值的探索,对于发掘我国的绿色能源有重要的科学意义和广阔的前景。参考文献[1]郭文阁,郑建邦.基于宽带隙P-I-N结构的高效有机小分子太阳电池[J].太阳能学报,2006,(22).[2]叶春暖,范智勇,杨剑等.Ag(TCNQ)纳米晶须的生长机理[J].真空科学与技术学报,2004,(24).[3]A.Moliton,andJ.M.Nunzi,Review:Howtomodelthebehaviouroforganicphotovoltaiccells,Polym.Int.2006,(55).[4]Y.Shao,andY.Yang,Smallmolecularweightorganicthin-filmphoto⁃detectorsandsolarcells,Adv.Mater.2005,(17).[5]徐华华,华中一,杨剑,等.K(TCNQ)薄膜的制备及其电双稳特性[J].真空科学与技术学报,2009,(21).[6]M.Y.Chan,S.L.Lai,M.K.Fung,C.S.Lee,andS.T.Lee,Doping-in⁃ducedefficiencyenhancementinorganicphotovoltaicdevices,Appl.Phys.Lett.2007,(90).[7]TakeoMinari,TetsuhikoMiyadera,KazuhitoTsukagoshi,YoshinobuAoyagi,andHiromiIto,Chargeinjectionprocessinorganicfield-effecttransistors,Appl.Phys.Lett.2007,(91).
本文标题:有机薄膜太阳能电池异质结界面特性研究_刘红兵
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