高銀浩,閆雷兵

(河南科技學(xué)院機電學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003)

基于給體/受體有機太陽電池性能的研究

高銀浩,閆雷兵

(河南科技學(xué)院機電學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003)

以酞菁銅(CuPc)、對艸北四甲酸二酐(PTCDA)和富勒烯(C60)作為光敏材料分別制備了3個有機太陽電池器件:器件1為ITO/PEDOT(3,4-乙撐二氧噻吩)/CuPc/Al;器件2為ITO/PEDOT/CuPc/PTCDA/Al;器件3為ITO/ PEDOT/CuPc/C60/Al.研究發(fā)現(xiàn)器件2、3的短路電流和開路電壓比1的提高了很多,主要是因為2、3是給體/受體異質(zhì)結(jié)構(gòu),它不僅增大了器件的吸收光譜并提供了一個激子解離的有效位置.器件2和3相比,3的短路電流和開路電壓比2的提高了1倍多,這主要是因為C60的激子擴散長度比PTCDA的要長,激子解離的幾率比激子復(fù)合的幾率大得多,因此3的性能比2的有了很大的提高.

給體/受體;短路電流;開路電壓;激子;擴散長度

1 引 言

太陽能電池是一種將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷?到目前為止,單晶硅、多晶硅和非晶硅及硫化鎘等無機太陽能電池占據(jù)了太陽能電池市場的主要地位,但是它們都有工藝復(fù)雜、價格昂貴、材料要求苛刻等特點,使得人們尋找廉價的代替品,而有機薄膜太陽能電池由于其具有輕薄、低成本、可卷曲、可大規(guī)模制備等潛在的優(yōu)點而受到科研工作者的極大關(guān)注.近幾年來有機薄膜太陽電池的性能得到了很大的提高,這些進步主要是通過合成新的材料,優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)即使用給體/受體(D/ A)異質(zhì)結(jié)構(gòu)[1-2]、混合和層組裝結(jié)構(gòu)[3-7]、激子阻擋層[8-9],疊層結(jié)構(gòu)[10]和高摻雜晶體材料等,因此材料的選擇和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化已經(jīng)成為提高器件性能的有效方法.在本文中,我們選擇了具有優(yōu)越的熱、化學(xué)穩(wěn)定性及多樣性的酞菁銅(CuPc)作為給體材料,用對艸北四甲酸二酐(PTCDA)和富勒烯(C60)作為受體材料制備了3種結(jié)構(gòu)的器件來研究電池性能和器件結(jié)構(gòu)及所用材料的關(guān)系.

2 實 驗

制備的3個器件的結(jié)構(gòu):器件1為ITO/PEDOT(3,4-乙撐二氧噻吩)(50nm)/CuPc (20 nm)/Al,器件2為ITO/PEDOT(50 nm)/ CuPc(20 nm)/PTCDA(30 nm)/Al,器件3為ITO/PEDOT(50nm)/CuPc(20nm)/C60(20 nm)/Al.

在清洗過的ITO玻璃上以3 000 rod/s的轉(zhuǎn)速旋涂厚度約50 nm的PEDOT薄膜,然后在烘箱中干燥,80℃10 min,120℃5 min.PEDOT是作為ITO的修飾層,提高ITO的功函數(shù).有機材料用真空熱蒸發(fā)技術(shù)在真空度為3×10-3Pa下制備,蒸鍍速度為0.03～0.06 nm/s,最后用掩模板制備Al電極,器件的有效面積是3×4 mm2.

薄膜的吸收光譜用島津UV-3101PC型吸收光譜儀測量,器件的電流-電壓曲線使用功率為300μW/cm2的大功率白色發(fā)光二極管作為光源,結(jié)合Keithley 2410電源得到.器件的光譜響應(yīng)曲線是在零偏壓下用SPEXfluorolog-3熒光光譜儀作為入射光源結(jié)合Keithley 2410電源測試得到的,是短路電流作為波長的函數(shù)的曲線.在整個測量過程中,規(guī)定器件的ITO為正極,Al電極為負極,光線從ITO側(cè)入射.所有測量都在室溫下進行.

3 結(jié)果與討論

圖1給出了器件中各種有機薄膜的吸收光譜.由吸收光譜可看到,單層CuPc薄膜的吸收光譜在600～800 nm,單層PTCDA薄膜的吸收光譜在400～600 nm,而單層C60薄膜的吸收光譜在波長小于500 nm的短波處.對于CuPc/PTCDA薄膜的吸收光譜是CuPc和PTCDA 2種材料的特征光譜的簡單的線性疊加,并沒有新的峰值出現(xiàn),這說明了2種有機材料在蒸鍍過程中沒有發(fā)生相互作用而生產(chǎn)新的物質(zhì),這樣就使得CuPc/ PTCDA薄膜的吸收與太陽光譜形成了較好的匹配,從而可以提高器件對光子的吸收,有利于光生載流子的產(chǎn)生,從而提高器件的光伏性能.同樣, CuPc/C60薄膜的吸收光譜也是CuPc和C60兩種材料在紫外-可見光范圍內(nèi)的吸收光譜的疊加,和CuPc/PTCDA有同樣的效果.

圖1 5種薄膜的吸收光譜

圖2為3種器件在光照情況下的電流-電壓曲線圖.器件的開路電壓Voc分別是0.155 V, 0.145 V,0.315 V,計算得到的電流密度Jsc分別是37.14μA/cm2,90μA/cm2,216.5μA/cm2.可以看出器件2和器件3的光伏性能比器件1有了明顯的提高.從器件結(jié)構(gòu)來看,器件1是單層結(jié)構(gòu),器件2和3是D/A異質(zhì)結(jié)構(gòu),加入的受體材料PTCDA和C60使吸收光譜在太陽光譜的范圍內(nèi)擴展了,吸收的光子增多,光生載流子產(chǎn)生的概率增大,短路電流有了明顯增大.另外,器件中的D/A界面為光生激子提供了有效的激子解離的位置,光生激子在這個界面的內(nèi)建場作用下,可以有效地解離成自由的電子空穴對,這樣就提高了器件的短路電流.因此器件2和3的光伏性能比器件1就有了明顯的提高.

相比器件3和器件2,器件3的短路電流密度比器件2的短路電流密度增加了1倍多,開路電壓也增加了1倍多.這2種器件結(jié)構(gòu)相同,但

圖2 3種器件在光照下的電流-電壓曲線

是光伏性能卻差了很多,這很可能是與受體材料本身的性質(zhì)有關(guān).在提高器件性能的有效途徑中,除了可以提高光生載流子產(chǎn)生的概率外,還需要有有效的激子分離過程及生成的電子和空穴在電極處的有效收集過程,因此我們又研究了3種器件在零偏壓下的光譜響應(yīng)曲線.光譜響應(yīng)曲線是表征太陽能電池對某些特定波長的光能給出最大的電流產(chǎn)生最佳的響應(yīng)[11].圖3是3種器件的光譜響應(yīng)曲線.從圖中可以看到,器件2的光譜響應(yīng)曲線和單層器件的很相似,這表明在PTCDA的吸收區(qū)域內(nèi),它吸收的光子并沒有有效地產(chǎn)生光電流.這主要是因為在雙層器件中,激子只有在給體受體界面處才能有效解離,而激子形成的位置與給體/受體界面的距離就是比較關(guān)鍵,如果這個距離在激子擴散長度以內(nèi),激子就能到達界面而發(fā)生解離,但是如果距離較遠,激子在擴散的過程中沒有到達界面就復(fù)合了,這樣就不會對光電流的產(chǎn)生做出貢獻.根據(jù)文獻[12]C60的激子壽命是1.2 ns,而PTCDA的激發(fā)態(tài)壽命比較短,大約360 fs[13],根據(jù)LD=Dτex,其中τex是激子壽命,LD是激子擴散長度,D是激子擴散系數(shù),得到了PTCDA的擴散長度就比C60的短.那么PTCDA中的激子在產(chǎn)生后還沒有擴散到界面復(fù)合的概率就比C60的大,這樣就限制了激子的分離和在電極處的收集,這就可能導(dǎo)致器件2的光譜響應(yīng)曲線中短波處光電流很小.而對于器件3的光譜響應(yīng)曲線在短波處的光電流比較大,這說明在C60內(nèi)形成的激子在解離后形成的載流子能有效地被電極收集,形成光電流.這就使得器件3比器件2的短路電流和開路電壓有了很大的提高,和本文的實驗結(jié)果是一致的.

圖3 3種器件的光譜響應(yīng)曲線

4 結(jié) 論

制備了3種結(jié)構(gòu)的太陽能電池并比較了器件的光伏性質(zhì),得到D/A異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電池的短路電流比單層器件的提高了很多.這是由于D/A的引入提供了激子有效解離的位置并增加了吸收光譜在可見光范圍內(nèi)的覆蓋,有利于光子的吸收而產(chǎn)生大量的激子,使光生載流子產(chǎn)生的概率增大,從而提高器件的短路電流.但光譜響應(yīng)曲線表明受體材料的激發(fā)態(tài)壽命對器件的性質(zhì)有很大的影響,材料的激發(fā)態(tài)壽命越長說明它的激子擴散長度越長,在其中形成的激子解離的比例增大,從而使器件的短路電流提高了很多.

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Organic solar cells based on donor-accepter hetero-junction

GAO Yin-hao,YAN Lei-bing
(Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China)

The single-layer and hetero-junction organic solar cells based on copper phthalocyanine (CuPc),3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride(PTCDA)and fullerene C60are fabricated to study their photovoltaic(PV)properties.The short-circuit current and open-circuit voltage of heterojunction structure solar cells is improved compared with the single layer structure cell.This is due to the introduction of donor-acceptor hetero-junction that both expanded the absorption range and offered efficient exciton dissociation site.In hetero-junction structure solar cells,the short-circuit current and open-circuit voltage of device with C60as acceptor have been highly improved because C60has longer exciton diffusion length.

hetero-junction;short-circuit current;open-circuit voltage;exciton;diffusion length of exciton

TM914.4

A

1005-4642(2010)09-0038-03

[責(zé)任編輯:郭 偉]

2009-12-30;修改日期:2010-05-15

高銀浩(1978-),女,河南平頂山人,河南科技學(xué)院機電學(xué)院助理實驗師,碩士,主要研究方向是有機太陽電池性能研究.