G阴极修饰提高聚合物太阳能电池的效率

摘要：聚合物太阳电池的阴极优化是用掺杂3%石墨烯的LiF来修饰结构为ITO/PEDOT：PSS/P3TH：PCBM/AL的基准电池的AL电极，寄予石墨烯的高导电性，我们制备的电池开路电压达到0.57V，短路电流密度达到11.37mA/cm2，效率为3.45%，填充因子FF达到53.3%，比基准电池的各项参数都好，这为今后提高电池效率提供了一种方法。

关键词：聚合物太阳电池 电极优化 交流阻抗谱 石墨烯

一、引言

聚合物太阳能电池必须满足高转化效率高和使用寿命长两个条件才能满足商业化应用的要求。最近几年在聚合物太阳能电池发展的过程中，提高光电转换效率的方法主要集中在材料及其表面形貌的研究，比如新材料的研发，溶剂的选择，热处理等[1-2]，或在活性层溶液中掺杂[3-4]来提高电池的性能。

太阳能电池的寿命衰减是由于载流子在活性层与阴极接触的界面聚集引起的，所以选择合适的阴极和阴极修饰材料是提高有机聚合物太阳电池性能的重要途径。

金属AL和半导体之间引进了一层超薄的LiF绝缘层构成了MIS（金属-绝缘体-半导体）界面，改进了势垒区的情况，超薄的LiF绝缘层修饰阴极可以使阴极与受体形成欧姆接触利于电荷的收集，这可以影响载流子通过界面时的传输过程[5]。石墨烯具有良好导电性，它的电子传输速度能达到光速的1/300，我们综合二者的优点，使其混合共同修饰阴极，提高电池的电流密度，改善电池的光电转换效率。

二、实验部分

此实验制备三个聚合物太阳能电池，1号为基准电池的结构为ITO/PEDOT：Pss/P3HT：PCBM/AL，2号样品是在基准电池的基础上对AL电极进行修饰，修饰材料为LiF，3号修饰材料是掺杂3%石墨烯的LiF，三个电池用的衬底ITO的方块电阻是～25Ω/□。实验步骤如下：

（1）ITO玻璃的刻蚀及清洗：先把需要保留的ITO表面用胶条遮住，浸到盐酸中腐蚀，将其取出用水冲洗后去掉胶条。然后，将ITO依次放入去离子水、丙酮、异丙醇、无水乙醇中分别超声清洗20min。最后，烘干备用。

（2）PEDOT：PSS缓冲层的制备：旋涂薄膜条件为低速800rpm/s，时间为12s；高速2400rpm/s，时间为60s，旋涂成50纳米左右薄膜。

（3）P3HT：PCBM光活性层的制备：配制P3HT：PCBM重量之比为5：4浓度为24mg/ml的有机溶液；其次旋涂成100纳米左右的薄膜。将旋涂好P3HT：PCBM的ITO放置在有盖的培养皿内，并退火处理。

（4）蒸镀电极：将石墨烯和LiF配制比例为3%比例，经研磨后备用。真空3×10-3pa.分别对1号样品直接蒸镀AL电极；2号样品先蒸0.7nm的LiF，然后蒸100纳米厚的铝电极，3号样品先蒸镀3%的掺杂石墨烯的LiF再蒸AL电极，然后放入真空干燥箱里150？C退火处理10min冷却测试。

三、测量设备

我们采用太阳能电池测试系统对电池器件进行I-V特性测试。该测试系统由AM1.5的模拟太阳光源和计算机控制的电化学工作站系统组成。光照强度为100mv/cm2，所加的偏压范围为-0.2v～0.8v，在测试过程中，器件没有任何封装。阻抗是由RST5000电化学工作站测出。所有数据均在河南大学物理实验室测得。

四、结果与讨论

1、电池的I-V特性分析

I-V特性试在100mW/cm2的模拟太阳光照射下测试的，图1是三个基于P3HT：PCBM的聚合物太阳能电池的I-V图，

从图中我们可以看到，1号单纯用AL做电池的阴极，电池的I-V特性最差，效率只有1.44%，电流密度也最小只有7.69mA/cm2。用LiF修饰AL电极，利于AL电极与受体LUMO之间形成欧姆接触，从而提高电荷的收集，增加开路电压和电流密度。2号用LiF修饰过阴极的电池电流密度相对1号电池由7.69mA/cm增加到9.55mA/cm2。3号用掺杂3%石墨烯的LiF修饰的电池，I-V曲线最好，它的开路电压为0.57V，比1、2号电池的都高；短路时的电流密度也最大，值为11.37mA/cm2，效率为3.45%，填充因子FF达到53.3%，整体的电池性能远比前两个的好。我认为这是基于石墨烯的高导电性和LiF薄绝缘层的共同作用的结果。

2、电池的交流阻抗谱分析

对于理想的聚合物电池来说，Rt与Rct主要决定电池在稳态下的输出。由于测试系统没有标准的太阳光模拟光源，以下交流阻抗数据都是在暗态条件下测得的。在交流阻抗谱中，聚合物天阳能电池的阻抗谱是一个半圆，它对应于电子的传输过程。在实际的研究中Rct和Rt随外加偏压的变化而变化，所以通过加不同偏压来推导Rct和Rt随外加偏压的变化规律来研究聚合物电池中电子传输的性质。图2是掺杂3%石墨烯的LiF修饰AL电极的电池在不同外加偏压下的交流阻抗谱：

从图中可以看出聚合物电池的交流阻抗图谱在外加不同偏压时随着偏压的增大，半圆越小；在0V-0.3V之间变化比较缓慢，当偏压加到0.4V时，半圆突然变化很大，这对于只改变修饰AL电极层的实验条件下，说明掺杂石墨烯的LiF与AL电极之间的电阻值随偏压的增大而减小。图3是Zview软件拟合的聚合物等效电路图，通过EIS测试拟合还可以直接读取等效电路的各元件的参数值，由表2显示；

五、小结

我们用LiF和掺杂3%石墨烯的LiF来修饰结构为ITO/PEDOT：PSS/P3TH：PCBM/AL的基准电池的AL电极，通过I-V特性分析掺杂3%石墨烯的LiF修饰的有机太阳电池的I-V曲线最好，它的开路电压为0.57V，比其他两个电池的都高；短路电流密度也是最大，值为11.37mA/cm2，效率为3.45%，填充因子FF达到53.3%，石墨烯的高导电性和LiF薄绝缘层的共同作用可以得到比较好的光电特性。

此实验的不足是没有对各个电池器件在光照时进行测试交流阻抗谱，和在光照条件下测试不同偏压对交流阻抗的影响，这些都有待我以后继续研究。

参考文献：

[1]S.H.Park，A. Roy，S. Beaupr，et al. Bulk heterojunction solar cells with internal quantum efficiency approaching100%[J].NaturePhotonics，2009，3：297-3 02.

[2] W.Ma，C.Yang，X.Gong，et al.Thermally stable，efficient polymer solar cells with nanoscale control of the interpenetrating network morphology[J]. Adv FuncMater，2005，15（10）：1617-1622.

[3] J.Peet，A.B.Tamayo，X.D.Dang，et al.Small molecule sensitizers for near-infrared absorption in polymer bulk heterojunction solar cells[J]. Appl Phys lett， 2008.93：163306.

[4] V.Kruefu，E.Peterson，C.Khantha，et al.Flame-made niobium doped zinc oxide nanoparticles in bulk heterojunction solar cells[J]. Appl Phys lett，2010，97：053302.

[5]木麗萍，谢勇，郑晓红，阴极材料对有机太阳电池性能的影响.电极元件与材料，大理学院，2012，31（4）.

作者简介：

李利如，女，汉族，1984年6月，河南省濮阳市南乐县人，研究生学历，硕士学位。