聚合物太陽能電池結構對光敏層光強的影響＊

顧錦華，龍 浩，王皓寧，陳首部，鐘志有

（1.中南民族大學實驗教學與工程訓練中心，湖北 武漢 430074；2.中南民族大學智能無線通信湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430074；3.中南民族大學電子信息工程學院，湖北 武漢 430074）

聚合物太陽能電池（PSC）具有環境友好、價格低廉、容易加工并制作成大面積柔性器件等獨特優勢而備受關注，它在移動供電、光伏建筑一體化、可穿戴電子設備等方面具有廣闊的應用前景[1-5]。

PSC的典型結構為“三明治”夾心結構，即將聚合物光敏薄膜夾于透明陽極和金屬陰極之間，通過光生伏特效應產生電壓、形成電流，從而實現光電轉換[6-9]。由于PSC由多層薄膜組合而成，其光伏性能與功能層厚度密切相關[10]，因此功能層的厚度匹配對PSC器件結構優化及其光伏性能改善具有重要作用。Matlab是目前普遍使用的一款科學計算軟件，它具有高效易學、數值計算能力和可視化功能強大等特點[11-14]，被廣泛應用于模擬仿真、器件建模、圖像處理、量化分析等科學研究和教學領域中[15-22]。本文采用正交實驗設計方法，利用Matlab軟件模擬計算，研究PSC結構對光敏層光強以及器件內部光強分布的影響。

1 研究方法

本文采用“ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al”PSC作為研究對象，其器件結構如圖1所示，其中ITO透明陽極和金屬Al陰極的厚度是固定的，分別為150 nm和100 nm。采用L16（45）正交實驗設計方法[23-25]研究各功能層厚度對PSC內部光強的影響，表1為實驗因素水平表，其中因素A、B、C分別表示PEDOT:PSS陽極修飾層、P3HT:PCBM光敏層、LiF陰極修飾層，每個因素選取4個水平，如表1所示。

圖1 PSC結構示意圖

表1 正交實驗的因素水平表

當波長為λ的光波從透明玻璃基底表面垂直入射進入PSC后，光波將在多層薄膜結構的PSC中傳播，并在PSC內部多個界面發生反射和折射，根據轉移矩陣方法[26-27]，可以推導出第j層中任意位置（x）的光場強度（∣Ej（x）∣2）計算公式，如下[28]：

式（1）—（5）中：E0+為入射太陽光波的光電場；dj為第j層薄膜的厚度；Ej+為第j層薄膜內部沿正方向傳播時太陽光波的光電場；Ej-為第j層薄膜內部沿負方向傳播時太陽光波的光電場；nj為第j層薄膜的折射率；kj為第j層薄膜的消光系數。

根據L16（45）正交實驗表，改變PSC中陽極修飾層、光敏層、陰極修飾層等各個功能層的厚度組合，根據公式（1）—（5）利用Matlab計算得到光場強度∣Ej（x）∣2，從而研究PSC內部光強分布以及光敏層光強的變化規律，達到優化PSC器件結構的目的。

2 結果與討論

PSC內部的光強分布如圖2所示，其中圖2（a）和圖2（b）分別為L16（45）正交表中實驗編號1—8和9—16的光強曲線。圖2中，從左至右不同灰度、線型和線寬的曲線依次代表陽極、陽極修飾層、光敏層、陰極修飾層、陰極等區域中的光強分布情況，如黑色實線為PSC陽極修飾層的光強曲線、灰色虛線為PSC光敏層的光強曲線。從圖2看出，當不同因素A、B、C采用不同水平進行組合即改變電池各功能層的厚度時，PSC器件內部的光強分布曲線明顯不同，對于實驗編號5，各因素的水平組合形式為“A2B1C2”，即陽極修飾層、光敏層、陰極修飾層的厚度分別為15 nm、50 nm、1 nm時，PSC的陽極、陽極修飾層、光敏層、陰極修飾層、陰極等所在區域中的平均光強分別為1.061 a.u.、1.883 a.u.、1.226 a.u.、0.209 a.u.、0.013 a.u.；對于實驗編號15，各因素的水平組合形式為“A4B3C2”，即陽極修飾層、光敏層、陰極修飾層的厚度分別為45 nm、70 nm、1 nm時，電池的陽極、陽極修飾層、光敏層、陰極修飾層、陰極等區域中的平均光強分別為0.937 a.u.、0.827 a.u.、1.486 a.u.、0.223 a.u.、0.014 a.u.。由此可見，PSC的器件結構對電池內部光強分布具有明顯的影響。

圖2 PSC內部的光強分布曲線

正交實驗設計的結果分析圖如圖3所示，其中圖3（a）為PSC光敏層中的平均光強數據，圖3（b）為不同因素水平時光敏層中光強的平均值。從圖3（a）可以看到，不同實驗編號即不同的功能層厚度組合時，電池光敏層的平均光強明顯不同，實驗編號10（A3B2C4）的平均光強為1.486 a.u.，實驗編號4（A1B4C4）的平均光強最小為1.162 a.u.，而實驗編號14（A4B2C3）的平均光強最大為1.591 a.u.，最大光強是最小光強的1.369倍。可見，器件結構對PSC光敏層光強具有明顯的影響。從圖3（b）可以看出，光敏層的平均光強也與因素A、B、C的水平密切相關，其中，光強隨因素A、C的水平升高而增大，而隨因素B的水平升高先增大后減小。另外，對于因素A、B、C，其光強的變化范圍分別為1.191～1.473 a.u.、1.254～1.395 a.u.、1.291～1.381 a.u.，對應的變化幅度分別是0.282 a.u.、0.141 a.u.、0.090 a.u.。結果表明，因素A（陽極修飾層）對PSC光敏層光強的影響最大，因素B（光敏層）次之，因素C（陰極修飾層）的影響最小。引入合適厚度的陽極或陰極修飾層可以增大PSC光敏層光強，從而提升電池的光伏性能，本文中PSC陽極修飾層、光敏層和陰極修飾層的優化厚度分別為45 nm、60 nm和2 nm。

圖3 正交實驗設計的結果分析圖

3 結論

以多層薄膜結構的PSC作為研究對象，利用正交實驗設計方法，通過Matlab軟件模擬研究了PSC結構與電池內部光強分布之間的關系。結果表明，各功能層厚度對光敏層光強具有不同程度的影響，厚度合適的陽極或陰極修飾層可以增加光敏層光強，提高電池的光伏性能。因此，功能層的厚度匹配及其器件結構優化對于提升PSC光伏性能具有重要作用。