有機太陽能電池界面過程的分析

摘 要：近年來，在成本低、輕薄柔軟等優點的作用下，有機太陽能的應用范圍變得越來越廣泛，并吸引越來越多的研究人員對其進行研究，界面過程的研究是有機太陽能研究中的重點，通過界面過程研究，有機太陽能電池的光電轉化效率可以有效地提高，在文章中，重點分析了有機太陽能界面過程，旨在切實的提升光電轉化效率。

關鍵詞：有機太陽能電池；界面過程；光電轉化效率

前言

在社會經濟發展的過程中，能源的需求量不斷地增加，但當前所使用的基本都是不可再生資源，導致能源短缺的問題越來越突出，而且環境也變得越來越差。有機太陽能電池作為清潔可再生資源，其研究與應用受到社會各界的廣泛關注，界面過程一直是研究人員研究的重點，目的在于提升有機太陽能電池利用過程中的光電轉化效率，由此，對有機太陽能電池界面過程的分析有著十分重要的現實意義。

1 有機太陽能電池陽極和功能層界面

電極/給體材料/受體材料/電極是有機太陽能電池常見的結構[1]。給體/受體界面是有機太陽能電池光電流產生的關鍵因素，需要十分重視此界面激子的拆分。當前，受體材料廣泛的采用C60，該材料由石墨提取而成，具有比較高的電子傳輸效率，屬于N型有機材料。但在有機太陽能功能層中，有機材料只有C60時，產生的光電流比較小，將鎂加入其中，作為陰極緩沖層，可將電池的性能有效地提高，并提升光電的轉化效率，但界面激子拆分的效率并未提高。從C60到ITO，電子具有非常快的注入速度，當C60與ITO直接接觸時，在光照條件下，C60材料中的激子拆分之后，空穴會快速的與ITO中的電子復合。由此，通過對ITO/C60的界面修飾，界面復合有效地減少，當功能層僅有一層C60材料時，有機太陽能電池的性能可以有效地提高。為了更好地研究功能層界面有機太陽能電池的性能，設計了如下實驗。

1.1 實驗過程

在本實驗中，在有機太陽能電池中加入NPB插層，電池結構為ITO/NPB/C60/tris-8-hydroxy-quinolinato alumminum/Al。在此結構中，空穴傳輸層和陽極傳輸層為NPB、陰極緩沖層為tris-8-hydroxy-quinolinato alumminum，功能層為C60。同時，在實驗過程中以不加入NPB插層的太陽能電池作對比。首先按照規定的要求清洗ITO基片，完成后利用氮氣將其吹干，吹時方向相同，隨后在樣品托中放置基片，在樣室例進行氧等離子處理，時間為7分鐘，更換樣品托，在高真空有機室中進行有機層生長，完成之后在無機室內，進行金屬鋁電極的生長[2]。器件會受到水和氧的影響，為了避免這種影響，測量工作于室溫下在手套箱中進行。

1.2 實驗結果

將加入NPB插層的有機太陽能電池成為電池A，對照研究用的稱為電池B。在標準太陽光照條件下，通過I-V曲線可知，電池A的光電轉化效率明顯高于電池B，有機太陽能電池的性能得到有效提升。實驗結果顯示，有機太陽能電池中加入NPB插層之后，性能得到比較高的提升。

2 給體/受體界面電子和激子相互作用產生光電流

給體/受體界面的激子解離過程是有機太陽能電池光電轉化效率的主導因素，當前普遍認為，在給體/受體界面，光生激子首先要經歷短程電荷對或電荷轉移態激子，接著，部分的電荷轉移態激子進一步分離，最終形成自由載流子，部分依然再次成為激子[3]，因此，電荷轉移態激子、自由載流子和激子共同存在與給體/受體界面附近。研究發現，在載流子和激子之間，存在相互作用，進而產生光電流，對此，在本文中對電子與激子的相互作用進行分析，并設計了如下實驗。

2.1 實驗過程

在本實驗中，在CuPc/C60的基礎上設計了雙層平面型有機小分子太陽能電池（稱為電池A），結構為ITO/CuPc（15nm）/C60（60nm）/Mloybdenum oxide（MoO3）（10nm）/Al（100nm），同時，設計對照用有機太陽能電池（稱為電池B），結構為ITO/CuPc（20nm）/C60（40nm）/Alq3（5nm）/Al（100nm）。在電池A和電池B的結構中，功能層包含兩個，一個是C60層，一個是CuPc層，各自的MoO3和Alq3為陰極緩沖層[4]。首先對ITO基片進行清洗，清洗的方法與上述實驗中方法相同，但在電池A制備過程中，基片并未進行氧等離子處理。電池A和電池B制備完成之后，測量工作在室溫下于手套箱中進行，測量儀器的正極連接ITO，負極連接Al，單色光下，計算出為外量子效率。

2.2 實驗結果

在電池A中，光生激子拆分后，形成自由電子和自由空穴，復合之后，重新生成激子。AM 1.5G模擬太陽光照射和暗態條件，繪制出I-V曲線，同時，在模擬光照條件下，將550nm波長加入進去，通過濾光片，將相應的I-V曲線繪制完成。由圖像顯示可知，在ITO層，電池A收集空穴，電池B收集電子，而在Al層，電池A則收集電子，電池B收集空穴，這說明，兩個電池具有相反的內建電場方向。此外，在瞬態光電壓和外量子效率方面，電池A與電池B之間也存在比較大的差異性，在532nm激光脈沖下，白光偏光條件下，兩個電池的TPV極性是相反的，在紅條偏光條件下，電池A TPV產生的偏移是比較大的，而電池B并出現偏移。波長范圍在350nm～750nm之間時，電池A與電池B的外量子效率也存在比較差的差異，無偏光條件時，兩個電池均能夠良好的響應太陽光光譜，有偏光條件時，若偏光顏色不同，電池A的外量子效率并不會發生改變，而電池B在部分顏色偏光時，幾乎降至0。

電池A與電池B的功能層是相同的，因此光電流方向相反的主要原因在于陰極緩沖層不同，Al電極的功函數在MoO3的作用下，可以有效地提升。對于電池A來說，在兩個功能層中，激子都可以產生，在功能層界面，激子拆分為自由載流子，在內建電場的作用下，電極收集這些自由的電子和空穴，促使光電流產生，因此，這兩個功能層的紫外-可見光吸收譜與外量子效率的響應相對應，550nm長波加入并通過濾光片之后，功能層界面中，激子數量減少僅發生在C60層，因此，電池A的短路電流減少比較少。當斬波器頻率和單色光的光強變化發生變化時，電池A的量子效率并不會受到影響，由此說明，拆分與收集的效率都比較高，而偏光并不會對傳導電流產生影響，因此，電池A的光電流并不會受到界面過程激子的影響。而電池B與電池A電流產生的過程不同，因此，可能會受到一定的影響。無論是電池A的激子拆分，還是電池B的電子-激子相互作用，都在功能層界面中發生，顯然，在電池A中，同時存在著激子拆分和電荷-激子相互作用，進而產生光電流。

3 結束語

有機太陽能電池光電轉化效率的高低直接影響其利用效率，而光電轉化效率又受到界面過程的影響，因此，通過對界面過程的研究，增加界面激子拆分的效率，促使有機太陽能電池性能的提升，從而有效地提高光電轉化效率，提升有機太陽能的利用效率，拓寬有機太陽能電池的應用范圍，充分的發揮有機太陽能電池的作用，緩解能源危機，促進社會及經濟的快速發展。

參考文獻

[1]黃林泉，周玲玉，于為，等.石墨烯衍生物作為有機太陽能電池界面材料的研究進展[J].物理學報，2015（3）：26-35.

[2]劉瑞遠，孫寶全.有機物/硅雜化太陽能電池的研究進展[J].化學學報，2015（3）：225-236.

[3]李衛民，郭金川，周彬.溶劑揮發時間對體異質結有機太陽能電池復合特性的影響[J].發光學報，2015（4）：437-442.

[4]卓祖亮，張福俊，許曉偉，等.退火處理提高P3HT：PCBM聚合物太陽能電池光伏性能[J].物理化學學報，2011（4）：875-880.

作者簡介：杜云霄，河南師范大學物理與電子工程學院13級功能材料專業。