有机太阳能电池界面过程的分析

摘 要：近年来，在成本低、轻薄柔软等优点的作用下，有机太阳能的应用范围变得越来越广泛，并吸引越来越多的研究人员对其进行研究，界面过程的研究是有机太阳能研究中的重点，通过界面过程研究，有机太阳能电池的光电转化效率可以有效地提高，在文章中，重点分析了有机太阳能界面过程，旨在切实的提升光电转化效率。

关键词：有机太阳能电池；界面过程；光电转化效率

前言

在社会经济发展的过程中，能源的需求量不断地增加，但当前所使用的基本都是不可再生资源，导致能源短缺的问题越来越突出，而且环境也变得越来越差。有机太阳能电池作为清洁可再生资源，其研究与应用受到社会各界的广泛关注，界面过程一直是研究人员研究的重点，目的在于提升有机太阳能电池利用过程中的光电转化效率，由此，对有机太阳能电池界面过程的分析有着十分重要的现实意义。

1 有机太阳能电池阳极和功能层界面

电极/给体材料/受体材料/电极是有机太阳能电池常见的结构[1]。给体/受体界面是有机太阳能电池光电流产生的关键因素，需要十分重视此界面激子的拆分。当前，受体材料广泛的采用C60，该材料由石墨提取而成，具有比较高的电子传输效率，属于N型有机材料。但在有机太阳能功能层中，有机材料只有C60时，产生的光电流比较小，将镁加入其中，作为阴极缓冲层，可将电池的性能有效地提高，并提升光电的转化效率，但界面激子拆分的效率并未提高。从C60到ITO，电子具有非常快的注入速度，当C60与ITO直接接触时，在光照条件下，C60材料中的激子拆分之后，空穴会快速的与ITO中的电子复合。由此，通过对ITO/C60的界面修饰，界面复合有效地减少，当功能层仅有一层C60材料时，有机太阳能电池的性能可以有效地提高。为了更好地研究功能层界面有机太阳能电池的性能，设计了如下实验。

1.1 实验过程

在本实验中，在有机太阳能电池中加入NPB插层，电池结构为ITO/NPB/C60/tris-8-hydroxy-quinolinato alumminum/Al。在此结构中，空穴传输层和阳极传输层为NPB、阴极缓冲层为tris-8-hydroxy-quinolinato alumminum，功能层为C60。同时，在实验过程中以不加入NPB插层的太阳能电池作对比。首先按照规定的要求清洗ITO基片，完成后利用氮气将其吹干，吹时方向相同，随后在样品托中放置基片，在样室例进行氧等离子处理，时间为7分钟，更换样品托，在高真空有机室中进行有机层生长，完成之后在无机室内，进行金属铝电极的生长[2]。器件会受到水和氧的影响，为了避免这种影响，测量工作于室温下在手套箱中进行。

1.2 实验结果

将加入NPB插层的有机太阳能电池成为电池A，对照研究用的称为电池B。在标准太阳光照条件下，通过I-V曲线可知，电池A的光电转化效率明显高于电池B，有机太阳能电池的性能得到有效提升。实验结果显示，有机太阳能电池中加入NPB插层之后，性能得到比较高的提升。

2 给体/受体界面电子和激子相互作用产生光电流

给体/受体界面的激子解离过程是有机太阳能电池光电转化效率的主导因素，当前普遍认为，在给体/受体界面，光生激子首先要经历短程电荷对或电荷转移态激子，接着，部分的电荷转移态激子进一步分离，最终形成自由载流子，部分依然再次成为激子[3]，因此，电荷转移态激子、自由载流子和激子共同存在与给体/受体界面附近。研究发现，在载流子和激子之间，存在相互作用，进而产生光电流，对此，在本文中对电子与激子的相互作用进行分析，并设计了如下实验。

2.1 实验过程

在本实验中，在CuPc/C60的基础上设计了双层平面型有机小分子太阳能电池（称为电池A），结构为ITO/CuPc（15nm）/C60（60nm）/Mloybdenum oxide（MoO3）（10nm）/Al（100nm），同时，设计对照用有机太阳能电池（称为电池B），结构为ITO/CuPc（20nm）/C60（40nm）/Alq3（5nm）/Al（100nm）。在电池A和电池B的结构中，功能层包含两个，一个是C60层，一个是CuPc层，各自的MoO3和Alq3为阴极缓冲层[4]。首先对ITO基片进行清洗，清洗的方法与上述实验中方法相同，但在电池A制备过程中，基片并未进行氧等离子处理。电池A和电池B制备完成之后，测量工作在室温下于手套箱中进行，测量仪器的正极连接ITO，负极连接Al，单色光下，计算出为外量子效率。

2.2 实验结果

在电池A中，光生激子拆分后，形成自由电子和自由空穴，复合之后，重新生成激子。AM 1.5G模拟太阳光照射和暗态条件，绘制出I-V曲线，同时，在模拟光照条件下，将550nm波长加入进去，通过滤光片，将相应的I-V曲线绘制完成。由图像显示可知，在ITO层，电池A收集空穴，电池B收集电子，而在Al层，电池A则收集电子，电池B收集空穴，这说明，两个电池具有相反的内建电场方向。此外，在瞬态光电压和外量子效率方面，电池A与电池B之间也存在比较大的差异性，在532nm激光脉冲下，白光偏光条件下，两个电池的TPV极性是相反的，在红条偏光条件下，电池A TPV产生的偏移是比较大的，而电池B并出现偏移。波长范围在350nm～750nm之间时，电池A与电池B的外量子效率也存在比较差的差异，无偏光条件时，两个电池均能够良好的响应太阳光光谱，有偏光条件时，若偏光颜色不同，电池A的外量子效率并不会发生改变，而电池B在部分颜色偏光时，几乎降至0。

电池A与电池B的功能层是相同的，因此光电流方向相反的主要原因在于阴极缓冲层不同，Al电极的功函数在MoO3的作用下，可以有效地提升。对于电池A来说，在两个功能层中，激子都可以产生，在功能层界面，激子拆分为自由载流子，在内建电场的作用下，电极收集这些自由的电子和空穴，促使光电流产生，因此，这两个功能层的紫外-可见光吸收谱与外量子效率的响应相对应，550nm长波加入并通过滤光片之后，功能层界面中，激子数量减少仅发生在C60层，因此，电池A的短路电流减少比较少。当斩波器频率和单色光的光强变化发生变化时，电池A的量子效率并不会受到影响，由此说明，拆分与收集的效率都比较高，而偏光并不会对传导电流产生影响，因此，电池A的光电流并不会受到界面过程激子的影响。而电池B与电池A电流产生的过程不同，因此，可能会受到一定的影响。无论是电池A的激子拆分，还是电池B的电子-激子相互作用，都在功能层界面中发生，显然，在电池A中，同时存在着激子拆分和电荷-激子相互作用，进而产生光电流。

3 结束语

有机太阳能电池光电转化效率的高低直接影响其利用效率，而光电转化效率又受到界面过程的影响，因此，通过对界面过程的研究，增加界面激子拆分的效率，促使有机太阳能电池性能的提升，从而有效地提高光电转化效率，提升有机太阳能的利用效率，拓宽有机太阳能电池的应用范围，充分的发挥有机太阳能电池的作用，缓解能源危机，促进社会及经济的快速发展。

参考文献

[1]黄林泉，周玲玉，于为，等.石墨烯衍生物作为有机太阳能电池界面材料的研究进展[J].物理学报，2015（3）：26-35.

[2]刘瑞远，孙宝全.有機物/硅杂化太阳能电池的研究进展[J].化学学报，2015（3）：225-236.

[3]李卫民，郭金川，周彬.溶剂挥发时间对体异质结有机太阳能电池复合特性的影响[J].发光学报，2015（4）：437-442.

[4]卓祖亮，张福俊，许晓伟，等.退火处理提高P3HT：PCBM聚合物太阳能电池光伏性能[J].物理化学学报，2011（4）：875-880.

作者简介：杜云霄，河南师范大学物理与电子工程学院13级功能材料专业。