鐘 建，鄧 鳴，于軍勝，吳援明，黃 江

(電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院，成都 610054)

有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

鐘 建，鄧 鳴，于軍勝，吳援明，黃 江

(電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院，成都 610054)

采用真空熱蒸鍍方法制備有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池并測(cè)試其光電性能，使學(xué)生了解有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)及制備工藝，熟悉Keithley半導(dǎo)體測(cè)試儀的使用方法，繪制器件的電流電壓曲線，計(jì)算有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池的各項(xiàng)性能參數(shù)；通過(guò)對(duì)器件中每一層薄膜的制備和功能的分析，理解太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)和工作原理，并運(yùn)用于工藝實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，著力提升學(xué)生的實(shí)踐能力。

有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池；實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)；真空熱蒸鍍；實(shí)踐能力

常用的有機(jī)材料主要是小分子材料和高分子聚合物材料。有機(jī)小分子光電轉(zhuǎn)換材料具有低成本、可以加工成大面積的優(yōu)點(diǎn)，有機(jī)小分子的合成、表征相對(duì)簡(jiǎn)單，化學(xué)結(jié)構(gòu)容易修飾，可以根據(jù)需要增減功能基團(tuán)且可以通過(guò)各種不同方式互相組合，以達(dá)到不同的使用目的。利用有機(jī)小分子材料可以恰當(dāng)?shù)啬M生物體內(nèi)功能分子的作用，給光電轉(zhuǎn)換機(jī)理研究和結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系研究帶來(lái)了許多方便之處。CuPc、Alq3就是一種常用的小分子材料。在各種報(bào)道中，主要有四種典型器件結(jié)構(gòu)：?jiǎn)螌咏Y(jié)構(gòu)、雙層結(jié)構(gòu)、三層結(jié)構(gòu)及多層結(jié)構(gòu)。

1 主要實(shí)驗(yàn)工藝教學(xué)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)目標(biāo)是：力爭(zhēng)建成一個(gè)集“光伏系統(tǒng)材料合成與表征、器件制備、光電性能測(cè)試及系統(tǒng)集成”的完整的本科教學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠創(chuàng)造性地完成該專業(yè)方向所涉及的本科各階段的教學(xué)任務(wù)，爭(zhēng)取在新能源領(lǐng)域處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，改變實(shí)驗(yàn)教學(xué)的從屬地位，使理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)并駕齊驅(qū)，為高素質(zhì)人才的培養(yǎng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是實(shí)施素質(zhì)教育、創(chuàng)新教育，培養(yǎng)高科技人才的搖籃，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，鞏固和延伸課堂知識(shí)不可缺少的重要一環(huán)，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的基地。

1.1 工藝教學(xué)設(shè)計(jì)

由于ITO表面潔凈度等對(duì)于器件性能的影響很大，故須采用嚴(yán)格的清洗步驟清潔基片。本文采用如下清洗步驟，可以得到較為滿意的ITO清潔效果：依次用洗滌劑、丙酮、去離子水、乙醇超聲清洗，每一步時(shí)間約15min；潔凈后，置于潔凈工作臺(tái)并用紅外燈烘烤，待基片烘干后移入真空蒸發(fā)臺(tái)。

把清洗過(guò)的基片放入預(yù)處理腔中進(jìn)行氧離子轟擊，轟擊條件為：預(yù)處理腔中充入氧氣，氣壓為25Pa，時(shí)間為5min，電壓為250V，電流為1.6mA。蒸鍍之前，需要對(duì)基片進(jìn)行等離子轟擊，以進(jìn)一步清除表面污漬，提高ITO表面的氧含量，達(dá)到增加功函數(shù)的目的。

試驗(yàn)使用的材料都經(jīng)過(guò)了二次升華，CuPc在壓強(qiáng)2.0×10-4Pa、溫度310 ℃～350 ℃條件下進(jìn)行蒸鍍，C60在壓強(qiáng)1.8×10-4Pa、溫度310 ℃～360 ℃條件下蒸鍍，Alq3在壓強(qiáng)1.0×10-4Pa、溫度140 ℃～150 ℃條件下蒸鍍。器件結(jié)構(gòu)為：ITO/CuPc(20nm)/C60(40nm)/Alq3(10nm)/Ag(100nm)。

在空氣氣氛和室溫條件下，對(duì)以上未封裝器件利用Keithley-4200測(cè)試其電流密度-電壓(J-V)，開(kāi)路電壓V，短路電流密度J。所用有機(jī)材料CuPc、C60、Alq3，所用材料化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)中所使用有機(jī)材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

1.2 工藝實(shí)驗(yàn)步驟

太陽(yáng)能電池的主要制備流程如圖2所示。

圖2 有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池制備工藝流程

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1)開(kāi)啟儀器，調(diào)節(jié)時(shí)間、溫度。

2)將裝好玻璃基片的清洗架放入盛有洗滌劑的燒杯中，將燒杯放入清洗器中超聲；待到超聲完成，取出清洗架，用去離子水沖洗。

3)將裝好玻璃基片的清洗架放入盛有丙酮的燒杯中，將燒杯放入清洗器中超聲；待到超聲完成，取出清洗架，用去離子水沖洗。

4)將裝好玻璃基片的清洗架放入盛有去離子水的燒杯中，將燒杯放入清洗器中超聲；待到超聲完成，取出清洗架。

5)將裝好玻璃基片的清洗架放入盛有酒精的燒杯中，將燒杯放入清洗器中超聲；待到超聲完成，取出清洗架。

6)基片預(yù)處理。把清洗過(guò)的基片放入預(yù)處理腔中進(jìn)行離子轟擊，轟擊條件為：預(yù)處理腔中充入氧氣，氣壓為25Pa，時(shí)間為5min，電壓為250V。蒸鍍之前，需要對(duì)基片進(jìn)行等離子轟擊，以進(jìn)一步清除表面污漬，提高ITO表面的氧含量，達(dá)到增加功函數(shù)的目的。

7)蒸鍍。真空蒸鍍是將待鍍材料和被鍍基板置于真空室內(nèi)，采用一定方法加熱待鍍材料，使之蒸發(fā)或升華；然后，以原子或分子狀態(tài)直接飛行到被鍍基板表面從而凝聚成膜的工藝。以上實(shí)驗(yàn)工藝已在如圖3所示的有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上完成。

1為儀器控制臺(tái)；2為傳送桿；3為氧氣罐；4為預(yù)處理室；5、8、10為腔室之間的擋板閥；6為有機(jī)薄膜蒸鍍室；7為分子泵；9為金屬電極蒸鍍室；11為器件封裝室；12為晶振顯示儀；13為分子前級(jí)泵圖3 有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

2 器件的光電性能參數(shù)測(cè)試教學(xué)設(shè)計(jì)

測(cè)試儀器分為模擬光源與半導(dǎo)體特性測(cè)試設(shè)備。其中，模擬光源為高亮度點(diǎn)光源平行光源系統(tǒng)，使用型號(hào)為CHF-XM35-500W的氙-汞燈模擬大氣質(zhì)量為AM1.5的太陽(yáng)光作為入射光源(大氣質(zhì)量為AM1.5時(shí)，輻照通量密度為100mW/cm2，國(guó)際上將AM1.5作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn))；I-V特性采用半導(dǎo)體特性測(cè)試儀測(cè)量，如圖4所示，其中，1為半導(dǎo)體特性測(cè)試儀KEITHLEY4200；2為氙-汞燈(CHF-XM35-500W)；3為光源擋板，用于控制光源的成像質(zhì)量，為片子找到合適的光照位置作參考。由半導(dǎo)體特性測(cè)試儀測(cè)試出的I-V特性曲線的數(shù)據(jù)有：電流、電壓。有機(jī)材料的光吸收率和透過(guò)率采用紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)(UV1700)測(cè)量，如圖5所示。

圖4 測(cè)試光伏器件的I-V特性平臺(tái)

圖5 紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)

紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)的工作原理：由光源發(fā)出的光被分為兩束，分別透射過(guò)參照樣品和測(cè)試樣品后，被載波器接受，載波器接收的信號(hào)被光電倍增管交換接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)模擬/數(shù)字電路轉(zhuǎn)換后進(jìn)行計(jì)算機(jī)程序處理，得到測(cè)試樣品的透射率、反射率及吸收率等光學(xué)特性。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可使學(xué)生理解基于有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池器件的基本結(jié)構(gòu)和基本工作原理，掌握其特性參數(shù)的測(cè)量原理與方法，熟悉有關(guān)的新能源薄膜器件制作工藝技術(shù)，學(xué)習(xí)常用半導(dǎo)體特性測(cè)試儀器設(shè)備的基本原理和操作、維護(hù)方法。該實(shí)驗(yàn)室的建成，將可進(jìn)行與有機(jī)小分子太陽(yáng)能電池相關(guān)的(包括：器件制備、光電性能測(cè)試及系統(tǒng)集成等)完整制作工藝教學(xué)，滿足學(xué)生校內(nèi)生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、日常開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。

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Construction of Experimental Teaching Platform for Fabrication and Testing of Small Organic Molecule Solar Cells

ZHONG Jian, DENG Ming, YU Junsheng, WU Yuanming, HUANG Jiang

(College of Optoelectronic Information, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China)

Small organic solar photovoltaic devices were fabrication by the method of vacuum thermal evaporation, and then were tested by Keithley semiconductor source. Participation in the experiment helps students to comprehend the structures and the fabrication of thin-film solar photovoltaic devices, the use of the semiconductor source, and also learn how to plot the current-drive curves and calculate the performance parameters. Through preparation and analysis of each functional layer of photovoltaic devices, it is beneficial for students to fully understand the structures and the working mechanism. The experiments were committed to enhance practical ability and creative quality of students.

small organic solar photovoltaic devices; experimental teaching platform; vacuum thermal evaporation; practical ability

2013-12-25；修改日期: 2014-04-03

鐘 建(1972-)，男，博士，副教授，主要從事顯示技術(shù)、光電子器件等的教學(xué)、研究工作。

G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.06.044