陰極修飾提高聚合物太陽能電池性能的研究.pdf

1、在當(dāng)前能源危機(jī)與環(huán)境污染兩大問題制約下，合理發(fā)展清潔可持續(xù)的新能源是未來經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的關(guān)鍵。太陽能作為一種取之不盡的環(huán)保無污染能源，從眾多新能源中脫穎而出。目前市場上主導(dǎo)的是晶體硅太陽能電池，其生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)十分成熟，但晶體硅太陽能電池面臨著材料來源單一，對材料純度品質(zhì)有著嚴(yán)重依賴性，同時，晶體硅太陽能電池生產(chǎn)過程本身就是一個巨大的耗能過程。而聚合物太陽電池則不然，材料來源廣泛、具有良好的加工性，關(guān)鍵是有機(jī)材料良好的加工性能和延展性能，使

2、得聚合物太陽能電池可以使用卷對卷的生產(chǎn)方式，這將大大縮減生產(chǎn)成本。雖然聚合物太陽能電池經(jīng)過了十多年的高速發(fā)展期，光電能量轉(zhuǎn)換效率得到顯著提高，但距離商業(yè)化還有不小的差距，更重要的是其環(huán)境穩(wěn)定性仍然沒有取得決定性的改善。
　　聚合物太陽能電池的界面層有多重功能。首先，它能夠減小光敏層與電極之間的能級勢壘，從而形成歐姆接觸以有效的提取電荷。第二，它們能夠形成單一類型電荷的選擇性接觸，例如電子傳輸層可以作為空穴阻擋層，減少載流子的復(fù)合。

3、許多界面材料，如鈦氧化物和碳酸銫，能夠修飾電極的功函數(shù)，從而使得反型結(jié)構(gòu)聚合物太陽能電池能夠?qū)崿F(xiàn)。界面層還可以提供光場調(diào)制和保護(hù)下面活躍層的作用。本文從陰極界面的角度出發(fā)，選擇合適的陰極修飾層材料，通過優(yōu)化陰極修飾層的結(jié)構(gòu)和處理條件，達(dá)到提高聚合物太陽能電池性能的目的。
　　導(dǎo)電聚合物PFN是一種新興的陰極修飾層材料，能夠在 ITO電極與光敏活性層之間形成界面偶極層，降低 ITO的功函數(shù)，拉平 ITO電極與光敏活性層的能級，從而促

4、進(jìn)了電子的提取，PFN作為陰極修飾層的聚合物太陽能電池具有很高的效率。然而，PFN本質(zhì)上是一種絕緣體，電子遷移率很差，因此PFN膜層的厚度對器件性能的影響很大。PFN太厚會導(dǎo)致很大的串聯(lián)電阻，PFN太薄又不能夠很好的覆蓋 ITO電極阻擋空穴傳輸。ZnO納米顆粒作為一種無機(jī)半導(dǎo)體材料，與 PFN不同，它具有較高的導(dǎo)電性，且功函數(shù)較低，作為陰極修飾層材料尤其合適。但是，它也存在表面缺陷較多和空間分布不均的缺點。我們通過結(jié)合ZnO納米顆粒與P

5、FN的疊層結(jié)構(gòu)，很好的利用了ZnO的高電子遷移率和空穴阻擋能力，以及 PFN能夠形成界面偶極從而拉平能級并促進(jìn)電子的提取和傳輸。因此，ZnO/PFN疊層結(jié)構(gòu)，同時提高了開路電壓Voc、短路電流Jsc和填充因子FF，并使得轉(zhuǎn)換效率提高10％達(dá)到8.59%。
　　熱處理是改善膜層質(zhì)量的一個重要因素，快速熱處理工藝能夠在極短時間內(nèi)將基片表面加熱到很高的溫度，從而在短時間內(nèi)完成熱處理的技術(shù)，能夠有效抑制雜質(zhì)的再分布。利用快速熱處理技術(shù)對Z

6、nO做退火研究，通過研究ZnO的熱處理溫度、氣氛和時間，改善了它的結(jié)晶度，顯著提高了ZnO的導(dǎo)電能力。同時，優(yōu)化的熱處理條件減少了ZnO的表面缺陷和結(jié)構(gòu)缺陷，防止激子淬滅和減少載流子復(fù)合。結(jié)合我們的疊層結(jié)構(gòu)，在反型聚合物太陽能電池中，顯著提高了Jsc和FF，并得到最高的光電能量轉(zhuǎn)換效率9.31%。
　　ZnO作為一種良好的陰極修飾層材料的原因之一，是其具有較高的電子遷移率，然而，通過Al離子摻雜ZnO能夠獲得遷移率更高的AZO，而

7、且AZO還具有相對更低的功函數(shù)，這就能夠起到優(yōu)化能級結(jié)構(gòu)的目的，有利于電子的提取和傳輸，同時 AZO還表現(xiàn)出更好的光學(xué)透過性。良好的光電性能預(yù)示著 AZO具有作為陰極修飾層的巨大潛力。本文通過利用AZO取代ZnO的過程中，發(fā)現(xiàn)了ZnO/AZO/PFN三層結(jié)構(gòu)的陰極修飾層。不僅利用了AZO良好的光電性能，優(yōu)越的能級結(jié)構(gòu)調(diào)整，有助于電子的提取和傳輸，其次，PFN能夠鈍化AZO的大量表面缺陷，減少載流子的復(fù)合，而界面偶極能夠提高內(nèi)建電場，有助