有机薄膜太阳能电池异质结界面特性研究_刘红兵.docVIP

网络出版时间：2015-03-26 14:05 网络出版地址：/kcms/detail/45.1165.TS.座机电话号码.1405.013.html 轻工科技 2015 年 3 月 第 3 期（总第 196 期） LIGHT INDUSTRY SCIENCE AND TECHNOLOGY 机械与电气 有机薄膜太阳能电池异质结界面特性研究 刘 红 兵 ， 郭 辉 （湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 412001） 【摘 要】 有机薄膜太阳能电池具有制备工艺简单、柔性、质轻及低成本等优势，虽目前转换效率较低，但为人类解决能源问 题开辟了新局面。针对如何提高有机薄膜太阳能电池器件效率和稳定性问题，从器件结构、原理及研究现状入手，分析研究加热退火 温度对 CuPc 晶体薄膜和 C60 相互交叉的体异质结器件光伏性能的影响。 【关键词】 有机薄膜太阳能电池；器件结构；效率；制备 【中图分类号】 TK573 【文献识别码】 A 【文章编号】2095-3518（2015）03-25-02 能源紧缺已成为目前全球性需要迫切解决的重大问题[1，2]。 而太阳能作为世界上取之不尽、用之不竭的绿色能源，近年来成 为科学家们研究和开发的热门话题。尤其是我国人口众多，能 源资源相对匮乏，人均能源资源占有量不到世界平均水平的一 半。加上人们心头挥之不去的“雾霾”[3]。发展绿色能源与可再 生能源成为解决我国能源问题和减少环境污染的有效方法。 虽然单晶硅太阳电池经过几十年的发展，已经研究得很成 熟，在现阶段的应用和工业生产中占主导地位，但同时也存在一 些问题，最主要的是成本过高[4-6]。作为单晶硅电池的替代产品， 近几年来薄膜太阳电池成为研究的热点，其中包括非晶硅薄膜 太阳能电池、硒铟铜和碲化镉薄膜电池、多晶硅薄膜太阳能电池 和有机薄膜太阳能电池。由于有机薄膜太阳能电池的制造工艺 简单，同时具有重量轻、小型、柔性等特点得到了人们的极大关 注。有机薄膜太阳能电池一般以有机小分子或聚合物薄膜作为 MO 能级到 LUMO 能级分子间跃迁。有机材料中电子在跃迁中 必须克服明显的势垒，明显低于无机半导体材料的迁移率[5]。 有机薄膜太阳能电池原理与无机半导体材料形成自由电子 和空穴不同，有机半导体材料中会形成电子-空穴对，即激子。 当光照射到半导体材料上被吸收后，若光子的能量大于有机材 料的禁带宽度 E 时就会产生激子（在静电力作用结合下的电子- 空穴对）；激子在光伏器件中因浓度差扩散，之后是激子的分离 过程，最后，电子到达一个电极，一般是阴极，同时空穴到达另一 个电极，一般是阳极，当电子运动到阴极而空穴运动到阳极时外 电路中就有电流通过[5，6]。 1.2 性能参数 在没有光照的条件下，有机太阳能电池其特性相当于一个 二极管，其正向偏压 V 与通过电流 I 之间的关系符合肖克莱方 程。 光敏感层。其中，给体-受体型异质结电池是有机太阳能电池中 一种最基本的结构类型，近年来对其理论、结构设计和制备工艺 ? qV1 I I e kT è ? - 1÷ ? （1） 已做了大量的研究工作。但离有机薄膜太阳能电池的实用化还 比较远。特别是与传统的无机材料太阳电池相比，有机薄膜太 阳电池的效率（5％左右）、可靠性和使用寿命都还比较差。因 此，有机薄膜太阳能电池的研究成为了当前国际、国内微电子器 件、化学和能源领域最为热门的研究课题[6]。 1 器件的原理与性能参数 1.1 器件结构原理 采用真空蒸镀方法制备的基于异质结的有机薄膜太阳能电 池器件，在生产制备上有一定的优势，不仅容易对各种薄膜材料 进行提纯，还能制备成多层薄膜结构。通常，有机薄膜太阳能电 池器件结构由阳极、给体材料、受体材料和阴极组成。有机材料 与无机材料不同，它不容易形成单晶结构，原子间相互作用弱， 大多数是以无定形或者多晶的长程无序结构存在，且分子间主 要通过范德华力（Van der Waals force）形成具有最高占有分子轨 道能级（HOMO）和最低未占有分子轨道能级（LUMO）的形式。 这种能隙类似于无机半导体中的禁带，电子通过热激发从 HO- 式中 q 为电子电荷，V1 为结电压，T 为绝对温度，K 为玻耳兹 曼常数，I0 为反向饱和电流。在光照条件下，有机太阳能电池理 想情况的电流-电压曲线如图 1 所示。 图 1 有机太阳能电池的电流-电压曲线 但实际中，存在的电极电阻和载流子陷阱都会引起迁移率 的下降，也就相当于增大器件的串联电阻 RS ，另外器件中存在 【第一作者】刘红兵（1975-），男，湖南株洲人，副教授，研究方向：电子技术应用专业的理论和实践教学。 【基金项目】本文系 2013 年湖南省教育厅科学研究项目“新型高效有机小分子