孫鴻濱, 孫藝豐

(1. 吉林吉信通信咨詢?cè)O(shè)計(jì)有限公司, 長春 130012； 2. 長春師范大學(xué) 國際交流學(xué)院, 長春 130032)

0 引 言

能源已成為當(dāng)今世界各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展遇到的首要問題, 而太陽能則是未來最有希望的能源之一。近年來, 有機(jī)太陽能電池迅速發(fā)展, 由于具有廉價(jià)、 柔性、 制作容易等優(yōu)點(diǎn), 有希望成為未來光伏產(chǎn)業(yè)中的重要角色[1,2]。表面等離子體是指在金屬表面存在的自由振動(dòng)的電子與光子相互作用產(chǎn)生的沿金屬表面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿╗3]。金屬表面等離子體是目前納米光子學(xué)中最引人注目的應(yīng)用研究方向； 借助于金屬界面或金屬納米結(jié)構(gòu), 它可將電磁場(chǎng)高度局限在納米尺度的范圍內(nèi), 使光近場(chǎng)區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)得到大幅提高[4,5]。表面等離激元共振的物理光學(xué)現(xiàn)象, 已經(jīng)被應(yīng)用到聚合物太陽能電池中, 并且使其效率得到一定提高[6,7]。

筆者利用熱蒸發(fā)的方式, 將Ag納米顆粒置于陽極緩沖層中, 利用表面等離子體共振, 有效地提高了聚合物太陽能電池器件的光吸收和電荷收集, 進(jìn)而提高整體器件效率。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 器件的制備

圖1 帶有Ag NPs反型器件結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)采用厚度150 nm、 20 Ω/□的導(dǎo)電ITO(Indium Tin Oxide)薄層的玻璃作為襯底, 以聚合物材料PSBTBT(poly[(4,4′-bis(2-ethylhexyl)dithieno[3,2-b:2′,3′-d]silole)-2,6-diyl-alt-(2,1,3-benzothiadiazole)-4,7-diyl])[8]和PC71BM([6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl este)兩種體異質(zhì)結(jié)混合物作為活性層, 經(jīng)過旋涂、 蒸鍍等得到聚合物太陽能電池器件。將附有特定圖案ITO的玻璃襯底依次用丙酮、 無水乙醇和去離子水分別超聲30 min, 用氮?dú)饬鲗⑵浯蹈桑?用勻膠機(jī)旋涂一層二氧化鈦溶膠薄膜[9,10], 旋涂速度為3 000 r/min, 放在馬弗爐里在450 ℃燒結(jié)2 h； 冷卻后, 將質(zhì)量比為1 ∶1的PSBTBT: PC71BM二氯苯溶液以1 000 r/min的轉(zhuǎn)速旋涂在二氧化鈦薄膜上； 然后將樣品放入手套箱中的熱臺(tái)上, 在110 ℃條件下退火15 min[11]； 將樣品放入真空鍍膜機(jī)腔內(nèi), 待真空度達(dá)到5×10-4Pa時(shí)開始蒸鍍MoO3, 厚度為2 nm； 蒸鍍薄層Ag(0、1、3 nm), 以顆粒狀存在； 然后蒸鍍MoO3, 厚度為3 nm； 最后蒸鍍100 nm的Ag電極。在蒸發(fā)過程中, 速率均控制在0.02～0.04 nm/s。有機(jī)太陽電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

器件結(jié)構(gòu)如下。

1) 標(biāo)準(zhǔn)器件： ITO/TiO2/PSBTBT: PC70BM/MoO3(5 nm)/Ag(100 nm)；

2) 加入Ag NPs的器件： ITO/TiO2/PSBTBT: PC70BM/MoO3(2 nm)/Ag(1、3 nm)/ MoO3(3 nm)/Ag(100 nm)。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在室溫下, 使用Orie公司提供的300 W的太陽光模擬器, 分別在暗環(huán)境和AM 1.5 G(100 mW/cm2)太陽光照下采用Keithley 2400測(cè)量器件的電流-電壓特性(見圖2)。并使用美國頤光科技公司的Q Test Station 1000AD系統(tǒng), 計(jì)算電池的外量子效率(IPCE: Incident Photon-to-Current Efficiency)(見圖3)。

圖2 不同厚度Ag的器件在AM1.5G(100 mW/cm2)下的J-V特性曲線 圖3 不同厚度Ag的器件的外量子效率曲線

從圖2中的J-V曲線可看出, Ag納米顆粒的引入使電池的短路電流J得到提高。實(shí)驗(yàn)中研究了不同的Ag薄層厚度對(duì)電池性能的影響。標(biāo)準(zhǔn)器件的V=0.65 V,J=9.54 mA/cm2, 效率η=2.14%。當(dāng)陽極緩沖層中加入了1 nm的Ag薄膜,V=0.67 V, 短路電流提高到J=12.83 mA/cm2, 效率η=3.23%。短路電流密度的大小主要取決于有機(jī)太陽能電池中有源層體異質(zhì)結(jié)混合物的光吸收率。Ag納米顆粒通過局域表面等離子體作用以及反向散射增強(qiáng)作用, 使有源層材料對(duì)太陽光的利用率提高, 并改善有機(jī)層和電極的界面接觸性能, 提高載流子向陽極的傳輸能力, 進(jìn)而提高了器件的短路電流密度和能量轉(zhuǎn)化效率。但是, 當(dāng)Ag薄膜厚度增加到3 nm時(shí), 短路電流J出現(xiàn)明顯下降(降到9.85 mA/cm2), 電壓基本保持不變, 效率下降為η=2.61%。具體數(shù)據(jù)參數(shù)如表1 所示。

表1 不同厚度Ag的器件在AM 1.5G(100 mW/cm2)光照下的詳細(xì)性能參數(shù)

表1中RsA為器件串聯(lián)電阻、RpA為并聯(lián)電阻。從表1中的數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn), 加入(0、1、3 nm)Ag薄層的器件串聯(lián)電阻RSA分別為28.03 (Ω·cm2)、 19.22 (Ω·cm2)和20.13 (Ω·cm2), 并聯(lián)電阻RpA分別為133.59 (Ω·cm2)、 124.05 (Ω·cm2)和171.33 (Ω·cm2), 表明采用MoO3/Ag NPs/MoO3復(fù)合陽極緩沖層可以提高陽極和有源層之間界面的接觸性能, 形成有效的空穴傳輸。隨著薄層Ag厚度的增加, 電阻增加, 阻礙電荷的傳輸, 所以3 nmAg薄層的器件短路電流密度開始下降。

2 結(jié) 語

Ag納米顆粒的介入, 增強(qiáng)了有源層材料本身的吸收范圍, 同時(shí)將金屬Ag置于緩沖層MoO3中, 有效地提高了緩沖層的電導(dǎo)率, 減小了串聯(lián)電阻, 提高了電荷收集效率。光生電流從9.54 mA/cm2增加到12.83 mA/cm2, 效率從2.14%提高到3.23%。在緩沖層內(nèi)引入金屬納米顆粒, 不改變有源層的基礎(chǔ)上利用表面等離子增強(qiáng)作用提高聚合物太陽能電池的光電流, 為改善電池效率提供了新方法。

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