聚合物太阳能电池电极修饰层的低温制备研究

【摘要】聚合物太阳能电池以其成本低、重量轻、柔性等突出优点，成为可再生能源开发与研究的热点之一。尽管聚合物太阳能电池具有巨大的发展潜力，但在走上市场化前，其性能仍有待提高。目前，聚合物太阳能电池的最佳单体器件效率达到了8%-9%，叠层器件的效率最高为10.6%。按商业化应用的要求，单体和叠层器件的效率应分别大于10%和15%，为此需要从合成新型的窄带隙材料、优化器件的制备工艺、设计稳定的器件结构、优化器件界面性能等角度出发提高器件的性能。其中，界面的优化和设计是制备高性能聚合物太阳能电池中的关键环节之一，合适的电极修饰层能更好地形成欧姆接触，实现载流子有选择性地收集，有效改善器件的效率和稳定性。本论文主要侧重于优化聚合物太阳能电池的电极修饰层，包括材料的选择和工艺优化等；主要工作是在器件有源层和顶电极间，分别使用低温蒸镀和溶液法制备了性能较高的阴极修饰层与阳极修饰层。首先，针对聚合物太阳能电池中传统的无机阴极修饰层蒸镀温度过高，会增加制备成本、损坏有源层、降低器件性能的问题，使用可低温蒸镀的CsClO4作为阴极修饰层制备了结构为ITO/MoO3/P3HT:PCBM/CsClO4/Al的正置器件。CsClO4的真空蒸镀温度仅为350℃，远低于传统的无机化合物阴极修饰层材料的真空蒸镀温度，如LiF（700℃）、CsCO（3600℃）。较低的蒸镀温度能减少制备时间和能源的消耗，并降低蒸镀时高温对有源层的损害。实验结果表明当CsClO4阴极修饰层的厚度为1nm时，制备的器件性能最佳，能量转换效率为3.231%，与相同结构无阴极修饰层的器件相比，其效率提高了73.2%；同时，与采用LiF阴极修饰层的器件相比，其效率仍然提升了7%。这是由于蒸镀CsClO4作为阴极修饰层能降低金属表面的功函数，更好地形成欧姆接触，有利于电荷收集；同时，CsClO4层也可以起到空穴阻挡的作用，减少空穴在阴极的复合。并且制作了单载流子器件、测量了器件的IPCE进一步研究证实了上述分析和结果。其次，相比于传统正置结构的聚合物太阳能电池，倒置器件具有更好的稳定性和效率，并且更有利于柔性器件的制备。但是在目前的倒置器件中，顶电极的修饰层如MoO3、V2O5等，大多采用真空蒸镀法进行制备；真空蒸镀不仅会消耗大量的时间和能源、提高成本，而且与全溶液法的制备工艺不兼容。针对该问题，使用溶液法在有源层上制备MoO3阳极修饰层，完成了结构为ITO/ZnO/P3HT:PCBM/MoO3/Al的倒置器件。该顶电极修饰层的制备方法不需要在真空环境下进行，并且与全溶液法制备多层聚合物太阳能电池器件的工艺更加兼容。实验中对其相关工艺参数，包括前驱体的选择、旋涂速度、水解时间、退火条件等进行了优化，获得了2.59%的能量转换效率。
【作者】刘川；
【导师】李传南；张健；
【作者基本信息】吉林大学，微电子学与固体电子学，2014，硕士
【关键词】聚合物太阳能电池；电极修饰层；高氯酸铯；氧化钼；低温真空蒸镀；溶液法；

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