阴极修饰提高聚合物太阳能电池性能的研究

【摘要】：在当前能源危机与环境污染两大问题制约下,合理发展清洁可持续的新能源是未来经济社会发展的关键。太阳能作为一种取之不尽的环保无污染能源,从众多新能源中脱颖而出。目前市场上主导的是晶体硅太阳能电池,其生产技术已经十分成熟,但晶体硅太阳能电池面临着材料来源单一,对材料纯度品质有着严重依赖性,同时,晶体硅太阳能电池生产过程本身就是一个巨大的耗能过程。而聚合物太阳电池则不然,材料来源广泛、具有良好的加工性,关键是有机材料良好的加工性能和延展性能,使得聚合物太阳能电池可以使用卷对卷的生产方式,这将大大缩减生产成本。虽然聚合物太阳能电池经过了十多年的高速发展期,光电能量转换效率得到显著提高,但距离商业化还有不小的差距,更重要的是其环境稳定性仍然没有取得决定性的改善。聚合物太阳能电池的界面层有多重功能。首先,它能够减小光敏层与电极之间的能级势垒,从而形成欧姆接触以有效的提取电荷。第二,它们能够形成单一类型电荷的选择性接触,例如电子传输层可以作为空穴阻挡层,减少载流子的复合。许多界面材料,如钛氧化物和碳酸铯,能够修饰电极的功函数,从而使得反型结构聚合物太阳能电池能够实现。界面层还可以提供光场调制和保护下面活跃层的作用。本文从阴极界面的角度出发,选择合适的阴极修饰层材料,通过优化阴极修饰层的结构和处理条件,达到提高聚合物太阳能电池性能的目的。导电聚合物PFN是一种新兴的阴极修饰层材料,能够在ITO电极与光敏活性层之间形成界面偶极层,降低ITO的功函数,拉平ITO电极与光敏活性层的能级,从而促进了电子的提取,PFN作为阴极修饰层的聚合物太阳能电池具有很高的效率。然而,PFN本质上是一种绝缘体,电子迁移率很差,因此PFN膜层的厚度对器件性能的影响很大。PFN太厚会导致很大的串联电阻,PFN太薄又不能够很好的覆盖ITO电极阻挡空穴传输。Zn O纳米颗粒作为一种无机半导体材料,与PFN不同,它具有较高的导电性,且功函数较低,作为阴极修饰层材料尤其合适。但是,它也存在表面缺陷较多和空间分布不均的缺点。我们通过结合Zn O纳米颗粒与PFN的叠层结构,很好的利用了Zn O的高电子迁移率和空穴阻挡能力,以及PFN能够形成界面偶极从而拉平能级并促进电子的提取和传输。因此,Zn O/PFN叠层结构,同时提高了开路电压Voc、短路电流Jsc和填充因子FF,并使得转换效率提高10%达到8.59%。热处理是改善膜层质量的一个重要因素,快速热处理工艺能够在极短时间内将基片表面加热到很高的温度,从而在短时间内完成热处理的技术,能够有效抑制杂质的再分布。利用快速热处理技术对Zn O做退火研究,通过研究Zn O的热处理温度、气氛和时间,改善了它的结晶度,显著提高了Zn O的导电能力。同时,优化的热处理条件减少了Zn O的表面缺陷和结构缺陷,防止激子淬灭和减少载流子复合。结合我们的叠层结构,在反型聚合物太阳能电池中,显著提高了Jsc和FF,并得到最高的光电能量转换效率9.31%。Zn O作为一种良好的阴极修饰层材料的原因之一,是其具有较高的电子迁移率,然而,通过Al离子掺杂Zn O能够获得迁移率更高的AZO,而且AZO还具有相对更低的功函数,这就能够起到优化能级结构的目的,有利于电子的提取和传输,同时AZO还表现出更好的光学透过性。良好的光电性能预示着AZO具有作为阴极修饰层的巨大潜力。本文通过利用AZO取代Zn O的过程中,发现了Zn O/AZO/PFN三层结构的阴极修饰层。不仅利用了AZO良好的光电性能,优越的能级结构调整,有助于电子的提取和传输,其次,PFN能够钝化AZO的大量表面缺陷,减少载流子的复合,而界面偶极能够提高内建电场,有助于提高Jsc。因此,Zn O/AZO/PFN三层结构的阴极修饰层,能够大幅提高短路电流Jsc,使得光电能量转换效率达到9.17%。另外,PFN作为一种不稳定的有机物,其作为阴极修饰层会引起电池稳定性的降低,在我们的工作中发现,Zn O取代PFN的电池的稳定性有明显提高,而三层结构的阴极修饰层表现出最好的稳定性,其次是叠层结构的阴极修饰层器件。

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