基于金屬透明電極的聚合物太陽能光吸收的研究

李國龍

摘 要：利用超薄金屬電極可以制成半透明的聚合物太陽能電池，從而使電池對入射太陽光具有光譜選擇性吸收的特性。該文基于光學薄膜傳遞矩陣方法（TMM），針對Ca/Ag/ITO半透明陰極以及結構為ITO/PEDOT：PSS/P3HT：PCBM/Ca/Ag/ITO的半透明太陽能的光吸收及透射特性進行研究。理論和實驗表明：通過優化半透明陰極厚度，器件在AM 1.5G 光照下的平均透過率高于30%，能量轉換效率（PCE）為1.65%。

關鍵詞：聚合物太陽能電池 超薄金屬電極 傳遞矩陣理論 光學吸收

中圖分類號：TM91 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（c）-0001-03

Study on the Optical Absorption of Polymer Solar Energy Based on Metal Transparent Electrode

Li Guolong

（Key Laboratory of photovoltaic materials， Ningxia University，Yinchuan Ningxia，750021，China）

Abstract：Ultra-thin metal electrodes can be utilized to fabricate semitransparent polymer solar cells organic with spectral selectivity for solar radiation. Here， a stacked cathode of Ca /Ag /ITO and semitransparent polymer solar cell of ITO /PEDOT：PSS /P3HT：PCBM /Ca /Ag /ITO are investigated respectively by simulating light absorption and transmittance of the devices based on the transfer matrix method （TMM） of optical thin film. For semitransparent polymer solar cell with a 70 nm thick active P3HT：PCBM blend layer， an average transmission more than 30% is achieved with a high PCE of 1.65% under a radiation of AM 1.5G of 100 mW/cm2 .

Key Words：Polymer solar cell；Ultra-thin metal electrode；Transfer matrix method；Light absorption

聚合物太陽能電池因其可溶液成膜的制備工藝、柔性且易于制備、光學吸收波長的可調諧性以及大面積成膜的優勢，目前受到全球相關領域科研工作者的廣泛關注[1]。通過真空鍍膜以及溶液成膜技術，單異質結構的聚合物太陽能在AM 1.5G太陽光照下的能量轉換效率（PCE）目前已超過10%[2]。然而，受限于共軛聚合物的光學帶隙，單異質結結構的聚合物太陽能無法吸收太陽光中的長波成分。由此，選擇合適的半透明陰極并將多個光譜“互補”的光敏層串聯起來能夠拓寬聚合物太陽能電池吸收光譜范圍[3]。目前，多種半透明陰極結構已經用于頂發射有機發光二極管（OLED）以及半透明的有機太陽能電池[4-5]。例如：有機太陽能電池中使用Al、Ag等薄金屬作為透明陰極，提高了電池的光耦合效率[6]，此外，超薄銀納米層、C60：Au以及LiF/Al/Au多層結構電極也作為透明電極應用于級聯型有機太陽能電池中[7]。

基于此，該文針對Ca/Al/ITO透明金屬陰極以及結構為ITO/PEDOT：PSS/P3HT：PCBM/Ca/Al/ITO的聚合物太陽能電池的光透射與器件吸收進行研究，應用TMM方法計算不同有機層厚度的器件光學吸收以及不同陰極膜層厚度的光透射，獲得結構優化的聚合物金屬透明電極結構。

1 光學建模

聚合物太陽能電池由介質薄膜、聚合物薄膜以及金屬薄膜混疊而成。器件的光電場分布可以通過薄膜傳遞矩陣理論計算得到。應用該理論，可以計算層薄膜器件（共個界面）間的電場強度及器件上下表面的反射和吸收。當均勻的聚合物薄膜沉積在基板上時，薄膜的特征矩陣為：

（1）

其中，，分別是薄膜和基板的復折射率。是薄膜位相厚度，是物理厚度。薄膜的反射率、透射率和吸收率分別為

（2）

（3）

（4）

其中，和是入射介質（空氣）和基板的折射率，為空氣的折射率。根據（4）式，可以計算得到器件的光學吸收。

2 結果與討論

根據1節的光學薄膜理論，首先計算了結構分別為ITO（100 nm）/PEDOT：PSS （40 nm）/P3HT：PCBM（100 nm）/Al（120 nm）的參比器件（Ref）以及ITO （100 nm）/PEDOT：PSS（40 nm）/P3HT：PCBM（100 nm）/Ca（10 nm）/Ag（10 nm）/ITO（60 nm）透明器件（transparent device）在500 nm入射光照下的器件內光強分布，如圖1所示。

由圖1可見，透明器件內的光強峰值位于P3HT：PCBM功能層內，與參比器件相比沒有顯著變化，這有利于器件對入射光的有效吸收。光強峰值由參考器件的0.58降為0.41。入射光在穿過Ca（10 nm）/Ag（10 nm）/ITO（60 nm）透明陰極后，其透射光強仍然沒有截止。并且由此可知，透射陰極的各膜層厚度能夠影響出射光強的分布。這里，基于光學薄膜理論分析了透射陰極中ITO膜層厚度對器件的透射率及吸收率的影響，如圖2所示。endprint

在圖2中，計算了不同ITO厚度下器件的積分透射率與P3HT：PCBM功能層的積分吸收率，P3HT：PCBM功能層厚度為75 nm。首先，根據公式（3）、（4）對單光譜的器件透射率以及功能層的吸收率進行計算，并對計算結果在380 nm～780 nm整個可見光區進行積分，從而獲得積分透射率和積分吸收率。由圖2可知，ITO的厚度為50 nm時，透明電池具有最大的積分透射率；ITO的厚度為80 nm時，P3HT：PCBM功能層具有最大積分吸收率；當ITO的厚度介于50 nm和80 nm之間時，電池的透過率與功能層的吸收率會趨于平衡；ITO的厚度為60 nm時，器件的透射率為42%，功能層的吸收率達到34%，即該厚度為ITO的最優厚度，該結構為器件的最優陰極結構。為了驗證該理論分析的正確性，進一步制備了最優陰極結構的器件，并與參比器件作了性能對比實驗。首先，在潔凈的ITO玻璃上采用旋涂工藝制備PEDOT：PSS（德國Baytron，AI4083）空穴傳輸層以及P3HT（臺灣機光，Nichem）：PCBM（臺灣機光，Nichem）共混層。其中，P3HT和PCBM按照質量比為1.2：1溶于二氯苯（DCB），濃度為22 mg/ml。采用電子束蒸發分別沉積Ca、Ag、ITO膜層。使用上海科奧公司的外量子效率（IPCE）測試儀對兩種器件性能進行測試，結果如圖3所示。

在圖3中，透明電池結構為glass/ITO/PEDOT：PSS（40 nm）/P3HT：PCBM（75 nm）/Ca（10 nm）/Ag （10 nm）/ITO（60 nm），參比器件結構為glass/ITO/PEDOT：PSS（40 nm）/P3HT：PCBM（75 nm）/Ca（10 nm）/Ag （100 nm）。由圖可知：兩種器件的外量子效率曲線形狀相似，在350 nm和375 nm處分別有一個肩部，產生的光譜平移是光學干涉效應的結果。參比器件的外量子效率最大值接近60%，而透明電池的外量子效率在510 nm附近的最大值約為40%，較低的外量子效率源于透明電極對器件內光電場分布調控能力的降低。對透明電池外量子效率在300 nm～700nm的光譜區進行積分，進一步得到器件的光電轉換效率為1.6%。

3 結語

該文基于光學薄膜傳遞矩陣方法（TMM），計算了結構為ITO/PEDOT：PSS /P3HT：PCBM/Ca/Al/ITO的聚合物太陽能電池的光透射與器件吸收。通過優化Ca/Ag/ITO半透明陰極各膜層的厚度，使器件在可見光區的透過率高于30%，并且實驗表明：在AM 1.5G標準太陽光照下，器件的光電轉換效率約為1.65%。該Ca/Ag/ITO半透明陰極能夠用于聯接雙異質結的疊層太陽能電池器件。

參考文獻

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