聚合物太阳能电池结构对光敏层光强的影响＊

顾锦华，龙 浩，王皓宁，陈首部，钟志有

（1.中南民族大学实验教学与工程训练中心，湖北 武汉 430074；2.中南民族大学智能无线通信湖北省重点实验室，湖北 武汉 430074；3.中南民族大学电子信息工程学院，湖北 武汉 430074）

聚合物太阳能电池（PSC）具有环境友好、价格低廉、容易加工并制作成大面积柔性器件等独特优势而备受关注，它在移动供电、光伏建筑一体化、可穿戴电子设备等方面具有广阔的应用前景[1-5]。

PSC的典型结构为“三明治”夹心结构，即将聚合物光敏薄膜夹于透明阳极和金属阴极之间，通过光生伏特效应产生电压、形成电流，从而实现光电转换[6-9]。由于PSC由多层薄膜组合而成，其光伏性能与功能层厚度密切相关[10]，因此功能层的厚度匹配对PSC器件结构优化及其光伏性能改善具有重要作用。Matlab是目前普遍使用的一款科学计算软件，它具有高效易学、数值计算能力和可视化功能强大等特点[11-14]，被广泛应用于模拟仿真、器件建模、图像处理、量化分析等科学研究和教学领域中[15-22]。本文采用正交实验设计方法，利用Matlab软件模拟计算，研究PSC结构对光敏层光强以及器件内部光强分布的影响。

1 研究方法

本文采用“ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al”PSC作为研究对象，其器件结构如图1所示，其中ITO透明阳极和金属Al阴极的厚度是固定的，分别为150 nm和100 nm。采用L16（45）正交实验设计方法[23-25]研究各功能层厚度对PSC内部光强的影响，表1为实验因素水平表，其中因素A、B、C分别表示PEDOT:PSS阳极修饰层、P3HT:PCBM光敏层、LiF阴极修饰层，每个因素选取4个水平，如表1所示。

图1 PSC结构示意图

表1 正交实验的因素水平表

当波长为λ的光波从透明玻璃基底表面垂直入射进入PSC后，光波将在多层薄膜结构的PSC中传播，并在PSC内部多个界面发生反射和折射，根据转移矩阵方法[26-27]，可以推导出第j层中任意位置（x）的光场强度（∣Ej（x）∣2）计算公式，如下[28]：

式（1）—（5）中：E0+为入射太阳光波的光电场；dj为第j层薄膜的厚度；Ej+为第j层薄膜内部沿正方向传播时太阳光波的光电场；Ej-为第j层薄膜内部沿负方向传播时太阳光波的光电场；nj为第j层薄膜的折射率；kj为第j层薄膜的消光系数。

根据L16（45）正交实验表，改变PSC中阳极修饰层、光敏层、阴极修饰层等各个功能层的厚度组合，根据公式（1）—（5）利用Matlab计算得到光场强度∣Ej（x）∣2，从而研究PSC内部光强分布以及光敏层光强的变化规律，达到优化PSC器件结构的目的。

2 结果与讨论

PSC内部的光强分布如图2所示，其中图2（a）和图2（b）分别为L16（45）正交表中实验编号1—8和9—16的光强曲线。图2中，从左至右不同灰度、线型和线宽的曲线依次代表阳极、阳极修饰层、光敏层、阴极修饰层、阴极等区域中的光强分布情况，如黑色实线为PSC阳极修饰层的光强曲线、灰色虚线为PSC光敏层的光强曲线。从图2看出，当不同因素A、B、C采用不同水平进行组合即改变电池各功能层的厚度时，PSC器件内部的光强分布曲线明显不同，对于实验编号5，各因素的水平组合形式为“A2B1C2”，即阳极修饰层、光敏层、阴极修饰层的厚度分别为15 nm、50 nm、1 nm时，PSC的阳极、阳极修饰层、光敏层、阴极修饰层、阴极等所在区域中的平均光强分别为1.061 a.u.、1.883 a.u.、1.226 a.u.、0.209 a.u.、0.013 a.u.；对于实验编号15，各因素的水平组合形式为“A4B3C2”，即阳极修饰层、光敏层、阴极修饰层的厚度分别为45 nm、70 nm、1 nm时，电池的阳极、阳极修饰层、光敏层、阴极修饰层、阴极等区域中的平均光强分别为0.937 a.u.、0.827 a.u.、1.486 a.u.、0.223 a.u.、0.014 a.u.。由此可见，PSC的器件结构对电池内部光强分布具有明显的影响。

图2 PSC内部的光强分布曲线

正交实验设计的结果分析图如图3所示，其中图3（a）为PSC光敏层中的平均光强数据，图3（b）为不同因素水平时光敏层中光强的平均值。从图3（a）可以看到，不同实验编号即不同的功能层厚度组合时，电池光敏层的平均光强明显不同，实验编号10（A3B2C4）的平均光强为1.486 a.u.，实验编号4（A1B4C4）的平均光强最小为1.162 a.u.，而实验编号14（A4B2C3）的平均光强最大为1.591 a.u.，最大光强是最小光强的1.369倍。可见，器件结构对PSC光敏层光强具有明显的影响。从图3（b）可以看出，光敏层的平均光强也与因素A、B、C的水平密切相关，其中，光强随因素A、C的水平升高而增大，而随因素B的水平升高先增大后减小。另外，对于因素A、B、C，其光强的变化范围分别为1.191～1.473 a.u.、1.254～1.395 a.u.、1.291～1.381 a.u.，对应的变化幅度分别是0.282 a.u.、0.141 a.u.、0.090 a.u.。结果表明，因素A（阳极修饰层）对PSC光敏层光强的影响最大，因素B（光敏层）次之，因素C（阴极修饰层）的影响最小。引入合适厚度的阳极或阴极修饰层可以增大PSC光敏层光强，从而提升电池的光伏性能，本文中PSC阳极修饰层、光敏层和阴极修饰层的优化厚度分别为45 nm、60 nm和2 nm。

图3 正交实验设计的结果分析图

3 结论

以多层薄膜结构的PSC作为研究对象，利用正交实验设计方法，通过Matlab软件模拟研究了PSC结构与电池内部光强分布之间的关系。结果表明，各功能层厚度对光敏层光强具有不同程度的影响，厚度合适的阳极或阴极修饰层可以增加光敏层光强，提高电池的光伏性能。因此，功能层的厚度匹配及其器件结构优化对于提升PSC光伏性能具有重要作用。