3 聚合物异质结有机太阳能电池的研究

3.1 引言

太阳能作为一种无污染、可以取之不尽用之不竭的巨大能源，在今天以及未来人类能源中必将占据越来越重要的地位。太阳能电池作为将太阳能转变为电能的器件，广泛地被用于民用产品及太阳能发电系统中。当前，在多种材料的太阳能电池中，主要都是由硅或无机物半导体制成的。有机太阳能电池作为一种新型电池，由于其所具有的轻薄、低成本、可卷曲、可大规模制备等潜在的优点而受到科研工作者的极大关注[38-41]。

有机太阳能电池的机理已在前面叙述，有机太阳能电池最主要的就是如何进行激子分离。电子给体/受体方式是实现有机光伏电池中激子分离的有效途径。 因此, 光敏层至少要使用两种功能材料(或组分), 即电子给体(donor 或D)与电子受体(acceptor 或A)组成.在聚合物电池中, MDMO-PPV(聚[2-甲氧基, 5-(3′,7′二甲基-辛氧基)]-对苯撑乙撑)和P3HT(聚3-己基噻吩)是应用比较广泛的两种电子给体材料, 两者达到最高响应效率时所对应的光谱波长分别在550 和630 nm 左右(相应光子能量约为2.2和1.9 eV)。而太阳光谱的能量则主要集中在波长为700 nm 左右(约1.8 eV)的近红外区,所以光敏层的响应范围和太阳光谱近似达到匹配。目前在有机光伏电池中广泛采用的A 相材料为PCBM, 由于其主体结构C60 的对称性很高, 使得最低能量转换在形式上表现为偶极禁阻, 因此在可见光区域的光吸收系数很低.本论文中我们采用了PCBM:P3HT结构，通过不同的处理条件来提高器件的性能。

3.2 仪器与药品

表3.1 实验药品

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Table3.1. Experimental Drugs 原料名称 ITO P3HT PCBM PEDOT:PSS LiF BCP Al 钨铝丝 乙醇 氯仿 丙酮 浓盐酸 1，2-二氯苯 纯净水

纯度 电子纯 电子纯 电子纯 电子纯 分析纯 电子纯 99.999%

生产厂家

中国南玻集团股份有限公司 吉林奥莱德有限公司 吉林奥莱德有限公司 吉林奥莱德有限公司 天津科锐思精细化工有限公司

吉林奥莱德有限公司 天津有色金属研究所 洛阳市福斯特钨钼工业有限公司 天津科锐思精细化工有限公司 天津华东试剂有限公司 天津华东试剂有限公司 天津华东试剂有限公司 天津华东试剂有限公司 天津科锐思精细化工有限公司

备注 清洗使用 直接使用 直接使用 直接使用 直接使用 直接使用 乙醇清洗使用 乙醇清洗使用 直接使用 直接使用 直接使用 直接使用 直接使用 直接使用

分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 化学纯 分析纯

我们使用的仪器包括器件的制备和表征系统，涉及旋涂机（KW-4A 台式匀胶机）、真空、蒸镀薄膜、光电测量等等。 3.2.1 真空镀膜系统

我们使用的是沈阳新蓝天真空技术有限公司生产的DZ450真空多元蒸发系统以及上海泰尧真空科技有限公司生产的FTM-V膜厚监控仪。 3.2.2 I-V测量仪器

测量电流-电压关系的是Keithley公司生产的Keithley2400 Source Measure Unit。输出一个电压（电流）的同时测量所输出的电流（电压），并可通过IEEE488接口由计算机控制。在软件的程序控制下，Keithley2400同步完成输出电压、测量电流的工作。可测量无光照和模拟太阳光源下的I-V测量。 3.2.3 模拟太阳光源

模拟太阳能光源系统是北京奥博迪光电技术有限公司生产的CXE-350氙灯光纤照射装置。可以产生AM1.5的模拟太阳光。

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3.2.4 紫外分光光度计

紫外分光光度计是美国瓦里安技术中国有限公司生产的CARY300 UV-VIS-NIR分光光度计。通过测量光经过样品的透射率来测量吸收光谱，测量范围190-900nm（准确性??0.2nm）。

3.3 器件的制备

我们器件的结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/ LiF /AL，如图3.1所示。

LiF:AL P3HT:PCBM PEDOT:PSS ITO 图3.1 有机太阳能电池的器件结构

Fig. 3.1 Organic solar cell device structure

制备器件首先是ITO的处理。ITO 是Indium Tin Oxides的缩写，即纳米铟锡金属氧化物。ITO具有低电阻率、高可见光率和高红外光反射率等优良特性，已经被广泛应用于固态器件。ITO的导带主要由In和Sn的55轨道组成，价带由氧的2S轨道占主导地位。氧空位及Sn取代掺杂原子，构成施主能级并影响导带中的载流子浓度。在ITO淀积过程中，由于薄膜中产生氧空位和Sn搀杂取代，形成高度简并的n型半导体。费米能级位于导带底之上，因而具有很高的载流子浓度及低电阻率。此外，ITO的带隙较宽，因而ITO薄膜对可见光和近红外光具有很高的透过率。但是，由于ITO属于非化学计量化合物，喷涂法、真空蒸发、化学气相淀积、反映离子注入以及磁控溅射等沉积方法、沉积条件，以及表面处理方法，都将影响ITO薄膜的性能，导致ITO表面功函数在4~5eV之间变化。目前，ITO玻璃的生产已经商业化，想要改善器件的性能，需要对ITO的表面进行处理，使之适应有机物薄膜。在进行表面处理之前，要对ITO进行处理，利用胶带对ITO处理，形成电机区域，如图3.2所示。然后利用浓盐酸洗掉T字区域的ITO。去掉胶带后对基片进行清洗，乙醇浸泡后依次用氯仿、乙醇、纯水、纯水利用超声处理，再用纯氮气吹干。将光解臭氧的紫外灯管放在内贴反光铝薄膜的圆筒内，以提高光能利用率。当通过氧气时，流经金属网的部分氧分子分解

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