孫鴻濱, 孫藝豐

(1. 吉林吉信通信咨詢設(shè)計有限公司, 長春 130012； 2. 長春師范大學(xué) 國際交流學(xué)院, 長春 130032)

0 引 言

能源已成為當(dāng)今世界各國經(jīng)濟發(fā)展遇到的首要問題, 而太陽能則是未來最有希望的能源之一。近年來, 有機太陽能電池迅速發(fā)展, 由于具有廉價、 柔性、 制作容易等優(yōu)點, 有希望成為未來光伏產(chǎn)業(yè)中的重要角色[1,2]。表面等離子體是指在金屬表面存在的自由振動的電子與光子相互作用產(chǎn)生的沿金屬表面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿╗3]。金屬表面等離子體是目前納米光子學(xué)中最引人注目的應(yīng)用研究方向； 借助于金屬界面或金屬納米結(jié)構(gòu), 它可將電磁場高度局限在納米尺度的范圍內(nèi), 使光近場區(qū)域場強得到大幅提高[4,5]。表面等離激元共振的物理光學(xué)現(xiàn)象, 已經(jīng)被應(yīng)用到聚合物太陽能電池中, 并且使其效率得到一定提高[6,7]。

筆者利用熱蒸發(fā)的方式, 將Ag納米顆粒置于陽極緩沖層中, 利用表面等離子體共振, 有效地提高了聚合物太陽能電池器件的光吸收和電荷收集, 進而提高整體器件效率。

1 實 驗

1.1 器件的制備

圖1 帶有Ag NPs反型器件結(jié)構(gòu)圖

實驗采用厚度150 nm、 20 Ω/□的導(dǎo)電ITO(Indium Tin Oxide)薄層的玻璃作為襯底, 以聚合物材料PSBTBT(poly[(4,4′-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2′,3′-d]silole)-2,6-diyl-alt-(2,1,3-benzothiadiazole)-4,7-diyl])[8]和PC71BM([6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl este)兩種體異質(zhì)結(jié)混合物作為活性層, 經(jīng)過旋涂、 蒸鍍等得到聚合物太陽能電池器件。將附有特定圖案ITO的玻璃襯底依次用丙酮、 無水乙醇和去離子水分別超聲30 min, 用氮氣流將其吹干； 用勻膠機旋涂一層二氧化鈦溶膠薄膜[9,10], 旋涂速度為3 000 r/min, 放在馬弗爐里在450 ℃燒結(jié)2 h； 冷卻后, 將質(zhì)量比為1 ∶1的PSBTBT: PC71BM二氯苯溶液以1 000 r/min的轉(zhuǎn)速旋涂在二氧化鈦薄膜上； 然后將樣品放入手套箱中的熱臺上, 在110 ℃條件下退火15 min[11]； 將樣品放入真空鍍膜機腔內(nèi), 待真空度達到5×10-4Pa時開始蒸鍍MoO3, 厚度為2 nm； 蒸鍍薄層Ag(0、1、3 nm), 以顆粒狀存在； 然后蒸鍍MoO3, 厚度為3 nm； 最后蒸鍍100 nm的Ag電極。在蒸發(fā)過程中, 速率均控制在0.02～0.04 nm/s。有機太陽電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

器件結(jié)構(gòu)如下。

1) 標(biāo)準(zhǔn)器件： ITO/TiO2/PSBTBT: PC70BM/MoO3(5 nm)/Ag(100 nm)；

2) 加入Ag NPs的器件： ITO/TiO2/PSBTBT: PC70BM/MoO3(2 nm)/Ag(1、3 nm)/ MoO3(3 nm)/Ag(100 nm)。

1.2 實驗結(jié)果與分析

在室溫下, 使用Orie公司提供的300 W的太陽光模擬器, 分別在暗環(huán)境和AM 1.5 G(100 mW/cm2)太陽光照下采用Keithley 2400測量器件的電流-電壓特性(見圖2)。并使用美國頤光科技公司的Q Test Station 1000AD系統(tǒng), 計算電池的外量子效率(IPCE: Incident Photon-to-Current Efficiency)(見圖3)。

圖2 不同厚度Ag的器件在AM1.5G(100 mW/cm2)下的J-V特性曲線 圖3 不同厚度Ag的器件的外量子效率曲線

從圖2中的J-V曲線可看出, Ag納米顆粒的引入使電池的短路電流J得到提高。實驗中研究了不同的Ag薄層厚度對電池性能的影響。標(biāo)準(zhǔn)器件的V=0.65 V,J=9.54 mA/cm2, 效率η=2.14%。當(dāng)陽極緩沖層中加入了1 nm的Ag薄膜,V=0.67 V, 短路電流提高到J=12.83 mA/cm2, 效率η=3.23%。短路電流密度的大小主要取決于有機太陽能電池中有源層體異質(zhì)結(jié)混合物的光吸收率。Ag納米顆粒通過局域表面等離子體作用以及反向散射增強作用, 使有源層材料對太陽光的利用率提高, 并改善有機層和電極的界面接觸性能, 提高載流子向陽極的傳輸能力, 進而提高了器件的短路電流密度和能量轉(zhuǎn)化效率。但是, 當(dāng)Ag薄膜厚度增加到3 nm時, 短路電流J出現(xiàn)明顯下降(降到9.85 mA/cm2), 電壓基本保持不變, 效率下降為η=2.61%。具體數(shù)據(jù)參數(shù)如表1 所示。

表1 不同厚度Ag的器件在AM 1.5G(100 mW/cm2)光照下的詳細性能參數(shù)

表1中RsA為器件串聯(lián)電阻、RpA為并聯(lián)電阻。從表1中的數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn), 加入(0、1、3 nm)Ag薄層的器件串聯(lián)電阻RSA分別為28.03 (Ω·cm2)、 19.22 (Ω·cm2)和20.13 (Ω·cm2), 并聯(lián)電阻RpA分別為133.59 (Ω·cm2)、 124.05 (Ω·cm2)和171.33 (Ω·cm2), 表明采用MoO3/Ag NPs/MoO3復(fù)合陽極緩沖層可以提高陽極和有源層之間界面的接觸性能, 形成有效的空穴傳輸。隨著薄層Ag厚度的增加, 電阻增加, 阻礙電荷的傳輸, 所以3 nmAg薄層的器件短路電流密度開始下降。

2 結(jié) 語

Ag納米顆粒的介入, 增強了有源層材料本身的吸收范圍, 同時將金屬Ag置于緩沖層MoO3中, 有效地提高了緩沖層的電導(dǎo)率, 減小了串聯(lián)電阻, 提高了電荷收集效率。光生電流從9.54 mA/cm2增加到12.83 mA/cm2, 效率從2.14%提高到3.23%。在緩沖層內(nèi)引入金屬納米顆粒, 不改變有源層的基礎(chǔ)上利用表面等離子增強作用提高聚合物太陽能電池的光電流, 為改善電池效率提供了新方法。

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