光退火ZnO阴极缓冲层对聚合物太阳能电池性能影响的研究

【摘要】：近年来,聚合物太阳能电池(Polymer Solar Cell,PSC),尤其是倒置结构的聚合物太阳能电池(Inverted Polymer Solar Cell,IPSC)逐渐成为太阳能光伏领域的研究热点。采用溶胶凝胶法制备的ZnO薄膜具有制备工艺简单,高透光率和高稳定性等优点,作为阴极缓冲层在IPSC器件中得到普遍应用。由于IPSC通常采用耐热性较差的普通玻璃或柔性材料作为衬底,因此在后处理工艺中一般在200~300℃温度下对Zn O薄膜退火。而低温退火导致薄膜结晶质量较差,表面及内部缺陷较多,不利于电子的提取和传输,对器件性能产生了不良影响。虽然有采用快速热退火工艺改善ZnO薄膜结晶特性的文献报道,但快速热退火设备操作比较复杂和热成本较高,并且受炉腔体积限制,该方法对PSC器件的大面积批量生产也还有困难。本论文采用卤钨灯阵列照射ZnO薄膜表面的方法对其进行光退火(Photo-thermal Annealing,PTA),在不损伤衬底的情况下可使退火温度达到500℃。PTA技术可改善ZnO阴极缓冲层的结晶质量,增大薄膜表面粗糙度,减少了薄膜表面及内部缺陷,进而提高器件的性能。具体的研究内容如下:首先,对在ITO玻璃衬底上溶胶凝胶生长的ZnO薄膜进行PTA处理,制备了结构为ITO/ZnO/P3HT:PC61BM/MoO3/Ag的IPSC器件,并探索了不同PTA温度和时间对器件性能的影响,确定了退火温度500℃、退火时间10秒的最佳工艺条件。与常用的低温热退火工艺相比,在该退火条件下制备的IPSC器件的光电转效率提高了14.7%,达到了3.74%。SEM、PL和AFM的测试结果表明,与常规热退火制备的Zn O薄膜(Zn O film treated by conventional thermal annealing,称之为CTA-ZnO)相比,PTA处理的ZnO薄膜(称为PTA-ZnO)具有较大的晶粒尺寸,较低的表面和内部缺陷以及更大的表面粗糙度。而高粗糙度的表面形貌能够增强薄膜表面的光子散射,起到和绒面单晶硅相似的“陷光”作用,从吸收光谱可看出,有源层在500nm附近的光吸收明显增强。然后,为了提高器件效率,我们采用一种新型的窄带隙聚合物材料PTB7作为给体,PC_(71)BM作为受体,同样用PTA技术对ZnO阴极缓冲层进行了处理,制备了结构为ITO/PTA-ZnO/PTB7:PC_(71)BM/MoO3/Ag的IPSC器件。从有源层的吸收光谱可发现,器件在600~700nm范围内光吸收明显增强,说明采用新的材料体系后,PTA-ZnO同样具有陷光效应。与常规热退火相比,采用PTA-ZnO作为缓冲层的IPSC器件,其光电转换效率提高了17.1%,达到了7.66%。本论文通过卤钨灯阵列照射ZnO阴极缓冲层进行了快速光退火,降低了ZnO薄膜表面和内部的缺陷,提高了薄膜的结晶质量。所形成的高粗糙度表面形貌增强了光在ZnO薄膜表面的反射和折射,使更多的光子进入有源层,增强了光吸收。采用PTA-ZnO作为阴极缓冲层的聚合物太阳能电池,其光电转换效率得到明显提高。该方法操作工艺简单,适用于大面积IPSC器件的制备,具有较大的实用价值和广阔的应用前景。

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