基于给体/受体有机太阳电池性能的研究

高银浩,闫雷兵

(河南科技学院机电学院,河南新乡453003)

基于给体/受体有机太阳电池性能的研究

高银浩,闫雷兵

(河南科技学院机电学院,河南新乡453003)

以酞菁铜(CuPc)、对艹北四甲酸二酐(PTCDA)和富勒烯(C60)作为光敏材料分别制备了3个有机太阳电池器件:器件1为ITO/PEDOT(3,4-乙撑二氧噻吩)/CuPc/Al;器件2为ITO/PEDOT/CuPc/PTCDA/Al;器件3为ITO/ PEDOT/CuPc/C60/Al.研究发现器件2、3的短路电流和开路电压比1的提高了很多,主要是因为2、3是给体/受体异质结构,它不仅增大了器件的吸收光谱并提供了一个激子解离的有效位置.器件2和3相比,3的短路电流和开路电压比2的提高了1倍多,这主要是因为C60的激子扩散长度比PTCDA的要长,激子解离的几率比激子复合的几率大得多,因此3的性能比2的有了很大的提高.

给体/受体;短路电流;开路电压;激子;扩散长度

1 引 言

太阳能电池是一种将太阳能转变为电能的器件,到目前为止,单晶硅、多晶硅和非晶硅及硫化镉等无机太阳能电池占据了太阳能电池市场的主要地位,但是它们都有工艺复杂、价格昂贵、材料要求苛刻等特点,使得人们寻找廉价的代替品,而有机薄膜太阳能电池由于其具有轻薄、低成本、可卷曲、可大规模制备等潜在的优点而受到科研工作者的极大关注.近几年来有机薄膜太阳电池的性能得到了很大的提高,这些进步主要是通过合成新的材料,优化器件结构即使用给体/受体(D/ A)异质结构[1-2]、混合和层组装结构[3-7]、激子阻挡层[8-9],叠层结构[10]和高掺杂晶体材料等,因此材料的选择和结构的优化已经成为提高器件性能的有效方法.在本文中,我们选择了具有优越的热、化学稳定性及多样性的酞菁铜(CuPc)作为给体材料,用对艹北四甲酸二酐(PTCDA)和富勒烯(C60)作为受体材料制备了3种结构的器件来研究电池性能和器件结构及所用材料的关系.

2 实 验

制备的3个器件的结构:器件1为ITO/PEDOT(3,4-乙撑二氧噻吩)(50nm)/CuPc (20 nm)/Al,器件2为ITO/PEDOT(50 nm)/ CuPc(20 nm)/PTCDA(30 nm)/Al,器件3为ITO/PEDOT(50nm)/CuPc(20nm)/C60(20 nm)/Al.

在清洗过的ITO玻璃上以3 000 rod/s的转速旋涂厚度约50 nm的PEDOT薄膜,然后在烘箱中干燥,80℃10 min,120℃5 min.PEDOT是作为ITO的修饰层,提高ITO的功函数.有机材料用真空热蒸发技术在真空度为3×10-3Pa下制备,蒸镀速度为0.03～0.06 nm/s,最后用掩模板制备Al电极,器件的有效面积是3×4 mm2.

薄膜的吸收光谱用岛津UV-3101PC型吸收光谱仪测量,器件的电流-电压曲线使用功率为300μW/cm2的大功率白色发光二极管作为光源,结合Keithley 2410电源得到.器件的光谱响应曲线是在零偏压下用SPEXfluorolog-3荧光光谱仪作为入射光源结合Keithley 2410电源测试得到的,是短路电流作为波长的函数的曲线.在整个测量过程中,规定器件的ITO为正极,Al电极为负极,光线从ITO侧入射.所有测量都在室温下进行.

3 结果与讨论

图1给出了器件中各种有机薄膜的吸收光谱.由吸收光谱可看到,单层CuPc薄膜的吸收光谱在600～800 nm,单层PTCDA薄膜的吸收光谱在400～600 nm,而单层C60薄膜的吸收光谱在波长小于500 nm的短波处.对于CuPc/PTCDA薄膜的吸收光谱是CuPc和PTCDA 2种材料的特征光谱的简单的线性叠加,并没有新的峰值出现,这说明了2种有机材料在蒸镀过程中没有发生相互作用而生产新的物质,这样就使得CuPc/ PTCDA薄膜的吸收与太阳光谱形成了较好的匹配,从而可以提高器件对光子的吸收,有利于光生载流子的产生,从而提高器件的光伏性能.同样, CuPc/C60薄膜的吸收光谱也是CuPc和C60两种材料在紫外-可见光范围内的吸收光谱的叠加,和CuPc/PTCDA有同样的效果.

图1 5种薄膜的吸收光谱

图2为3种器件在光照情况下的电流-电压曲线图.器件的开路电压Voc分别是0.155 V, 0.145 V,0.315 V,计算得到的电流密度Jsc分别是37.14μA/cm2,90μA/cm2,216.5μA/cm2.可以看出器件2和器件3的光伏性能比器件1有了明显的提高.从器件结构来看,器件1是单层结构,器件2和3是D/A异质结构,加入的受体材料PTCDA和C60使吸收光谱在太阳光谱的范围内扩展了,吸收的光子增多,光生载流子产生的概率增大,短路电流有了明显增大.另外,器件中的D/A界面为光生激子提供了有效的激子解离的位置,光生激子在这个界面的内建场作用下,可以有效地解离成自由的电子空穴对,这样就提高了器件的短路电流.因此器件2和3的光伏性能比器件1就有了明显的提高.

相比器件3和器件2,器件3的短路电流密度比器件2的短路电流密度增加了1倍多,开路电压也增加了1倍多.这2种器件结构相同,但

图2 3种器件在光照下的电流-电压曲线

是光伏性能却差了很多,这很可能是与受体材料本身的性质有关.在提高器件性能的有效途径中,除了可以提高光生载流子产生的概率外,还需要有有效的激子分离过程及生成的电子和空穴在电极处的有效收集过程,因此我们又研究了3种器件在零偏压下的光谱响应曲线.光谱响应曲线是表征太阳能电池对某些特定波长的光能给出最大的电流产生最佳的响应[11].图3是3种器件的光谱响应曲线.从图中可以看到,器件2的光谱响应曲线和单层器件的很相似,这表明在PTCDA的吸收区域内,它吸收的光子并没有有效地产生光电流.这主要是因为在双层器件中,激子只有在给体受体界面处才能有效解离,而激子形成的位置与给体/受体界面的距离就是比较关键,如果这个距离在激子扩散长度以内,激子就能到达界面而发生解离,但是如果距离较远,激子在扩散的过程中没有到达界面就复合了,这样就不会对光电流的产生做出贡献.根据文献[12]C60的激子寿命是1.2 ns,而PTCDA的激发态寿命比较短,大约360 fs[13],根据LD=Dτex,其中τex是激子寿命,LD是激子扩散长度,D是激子扩散系数,得到了PTCDA的扩散长度就比C60的短.那么PTCDA中的激子在产生后还没有扩散到界面复合的概率就比C60的大,这样就限制了激子的分离和在电极处的收集,这就可能导致器件2的光谱响应曲线中短波处光电流很小.而对于器件3的光谱响应曲线在短波处的光电流比较大,这说明在C60内形成的激子在解离后形成的载流子能有效地被电极收集,形成光电流.这就使得器件3比器件2的短路电流和开路电压有了很大的提高,和本文的实验结果是一致的.

图3 3种器件的光谱响应曲线

4 结 论

制备了3种结构的太阳能电池并比较了器件的光伏性质,得到D/A异质结构的电池的短路电流比单层器件的提高了很多.这是由于D/A的引入提供了激子有效解离的位置并增加了吸收光谱在可见光范围内的覆盖,有利于光子的吸收而产生大量的激子,使光生载流子产生的概率增大,从而提高器件的短路电流.但光谱响应曲线表明受体材料的激发态寿命对器件的性质有很大的影响,材料的激发态寿命越长说明它的激子扩散长度越长,在其中形成的激子解离的比例增大,从而使器件的短路电流提高了很多.

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Organic solar cells based on donor-accepter hetero-junction

GAO Yin-hao,YAN Lei-bing
(Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China)

The single-layer and hetero-junction organic solar cells based on copper phthalocyanine (CuPc),3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride(PTCDA)and fullerene C60are fabricated to study their photovoltaic(PV)properties.The short-circuit current and open-circuit voltage of heterojunction structure solar cells is improved compared with the single layer structure cell.This is due to the introduction of donor-acceptor hetero-junction that both expanded the absorption range and offered efficient exciton dissociation site.In hetero-junction structure solar cells,the short-circuit current and open-circuit voltage of device with C60as acceptor have been highly improved because C60has longer exciton diffusion length.

hetero-junction;short-circuit current;open-circuit voltage;exciton;diffusion length of exciton

TM914.4

A

1005-4642(2010)09-0038-03

[责任编辑:郭 伟]

2009-12-30;修改日期:2010-05-15

高银浩(1978-),女,河南平顶山人,河南科技学院机电学院助理实验师,硕士,主要研究方向是有机太阳电池性能研究.