自组装缓冲层在聚合物太阳能电池中的应用

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有机太阳能电池由于它成本低、制备工艺简单、可弯曲等性质,越来越受到科学界的关注,是目前研究的热点之一.导电性是影响大面积太阳能电池的关键因素。和传统器件相比,低串联电阻(导电性好)的太阳能电池器件具备更好的载流子收集效率,反映在高的器件填充因子(FF)上。器件的串联电阻一般由两个部分构成:器件薄膜自身电阻和薄膜之间的接触电阻。本文对以上两方面电阻进行研究,主要内容包括以下几个方面:   1.在基于P3HT:PCBM的标准器件(器件结构:ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al)的缓冲层与ITO的接触界面上加入超薄金膜(0.5~2 nm),观察到了器件导电性增加的现象,主要表现在器件的填充因子(FF)的增加上(从标准器件的~0.55增加到~0.64)。接触电阻减少和金膜的高导电性是器件导电性增加的原因。我们将这个现象应用在大面积器件上,得到了很好的结果,器件效率根据面积的不同有2~1.2倍的提高。   2.由减小器件接触电阻入手,利用金属-有机物自组装缓冲层代替传统的PEDOT:PSS缓冲层,意在改善有机物和无机物之间的界面接触特性,从而减少接触电阻,改善其导电性。实验结果表明:相比于传统的器件,具有金属-有机物自组装缓冲层表现出更好的导电性,器件的串联电阻由20Ω·m2下降到10.2Ω·cm2,相应的器件的填充因子由0.5上升到0.64,器件的效率达到了2.5%(没有使用手套箱的情况下)。另外发现,由于自组装形成的偶极层,器件的开路电压(Voc)有微量提高,由0.54V上升到0.56V。通过大气光电子谱和吸收谱的研究,表明自组装膜在金膜上形成了有序的偶极层导致了开路电压的提高,而器件厚度的减少和接触电阻的减少导致了导电性的减小。但是器件仍然存在缺点--金膜对光的吸收导致了短路电流的下降。   3.为了进一步解决2的问题,我们进一步改善了自组装缓冲层的制备,由纳米金颗粒代替原来的不连续金膜,利用金颗粒的表面等离激元振荡特性尝试对金膜吸收那一部分光的利用,并尝试制备了器件。尝试了以下三种金膜结构:2nm金膜退火形成的金颗粒、1nm金膜退火形成的金颗粒、1nm金膜形成的金颗粒与1nm金不连续膜的组合三种缓冲层。结果表明金颗粒由于其不连续性导致了载流子的淬灭,而1 nm金膜形成的金颗粒与1nm金不连续膜的组合防止了这个现象,相比之前不连续金膜的缓冲层,具备组合缓冲层的太阳能电池表现了更高的效率。  
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