新型有機(jī)太陽(yáng)能電池中銀薄膜電極研究與應(yīng)用.pdf

1、有機(jī)太陽(yáng)能電池具有成本低廉、質(zhì)量輕、制備工藝簡(jiǎn)單、柔韌性好等優(yōu)點(diǎn)，并且可以通過(guò)卷對(duì)卷工藝實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，因此在過(guò)去的十年中受到人們的廣泛關(guān)注。隨著人們對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池的材料、器件結(jié)構(gòu)和制備工藝的不斷改進(jìn)，有機(jī)太陽(yáng)能電池的性能得到不斷提高，能量轉(zhuǎn)換效率(power conversion efficiency, PCE)已經(jīng)接近商業(yè)化的要求，使它不再局限于學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，而逐漸成為一種有希望得到實(shí)際應(yīng)用的光伏技術(shù)。
　　有機(jī)太陽(yáng)能電池的

2、實(shí)際應(yīng)用離不開(kāi)低成本卷對(duì)卷制備工藝，這一工藝要求有廉價(jià)的柔性電極。目前有機(jī)太陽(yáng)能電池中最常用的透明電極—氧化銦錫(ITO)無(wú)法滿(mǎn)足這一需求。首先因?yàn)殂煹南∪焙蛧?yán)苛的制備條件(通常通過(guò)濺射工藝)導(dǎo)致了ITO電極高昂的成本。其次，ITO的易碎性和制備過(guò)程中的高溫工藝，使它無(wú)法兼容柔性襯底，不能滿(mǎn)足卷對(duì)卷制備工藝的要求。人們逐漸意識(shí)到 ITO電極已經(jīng)成為制約有機(jī)太陽(yáng)能電池大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸之一，尋找新型透明導(dǎo)電材料迫在眉睫。目前，新型透明電極主

3、要包括不含銦的透明導(dǎo)電氧化物、導(dǎo)電聚合物、金屬納米線(xiàn)、石墨烯、碳納米管和金屬薄膜等。
　　在眾多 ITO替代電極中，金屬薄膜電極憑借其簡(jiǎn)單的制備工藝、低廉的成本、良好的導(dǎo)電性能、優(yōu)越的柔韌特性成為最有希望取代 ITO的電極之一。而金屬薄膜電極的不足之處在于其相對(duì)較低的透光率。為了改善它的透光率，近幾年來(lái)人們做了大量的工作，但是絕大多數(shù)的研究都集中在改變金屬種類(lèi)和利用光學(xué)干涉效應(yīng)。而本文則是從金屬薄膜的成膜機(jī)理出發(fā)，在保證金屬薄膜良

4、好導(dǎo)電性的前提下盡可能減小其厚度，也就是通過(guò)減小金屬薄膜的滲透閾值來(lái)有效提高電極的透光率。研究得到的最佳電極成功應(yīng)用在不同類(lèi)型有機(jī)太陽(yáng)能電池中，都實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的性能。主要的結(jié)論和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　(1)深入研究Ag薄膜的成膜機(jī)理。當(dāng)厚度為其滲透閾值時(shí)，Ag薄膜的透光率和電導(dǎo)率達(dá)到最優(yōu)的折衷，相應(yīng)有機(jī)太陽(yáng)能電池往往能實(shí)現(xiàn)最佳性能。研究結(jié)果表明在玻璃上 Ag薄膜的滲透閾值為11 nm?；谶@一厚度 Ag薄膜電極的常規(guī)結(jié)構(gòu)P3HT:PC6

5、1BM有機(jī)太陽(yáng)能電池獲得了高達(dá)2.57％的PCE。這是基于不同厚度Ag薄膜電極的有機(jī)太陽(yáng)能電池中的最高效率，完全可以比擬基于 ITO電極的參考器件(PCE為2.85％)。
　　(2)提出通過(guò)引入 MoO3插入層來(lái)降低 Ag薄膜的滲透閾值以提高其透光率的方法。研究表明，MoO3插入層的引入能夠有效提高 Ag薄膜在玻璃襯底上的附著，成功地把Ag的閾值由11 nm降低到9 nm。實(shí)驗(yàn)得到的最優(yōu)結(jié)構(gòu)的MoO3(2 nm)/Ag(9 nm)

6、電極與Ag(11 nm)電極相比，表現(xiàn)出接近的方阻值和更高的透光率，相應(yīng)電池的PCE也由2.57％提高到2.71％，接近基于ITO電極的參考器件(PCE為2.85％)，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
　　(3)基于 MoO3(2 nm)/Ag(9 nm)電極在玻璃襯底上成功制備了半透明P3HT:PC61BM有機(jī)太陽(yáng)能電池。通過(guò)對(duì)Ca和Ag陰極厚度的不同組合，基于Ca(15 nm)/Ag(15 nm)陰極的半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池有著最高的透光率。

7、當(dāng)太陽(yáng)光從電池的陽(yáng)極側(cè)或陰極側(cè)入射時(shí)，該半透明電池的PCE分別達(dá)到1.79％和0.67％。相應(yīng)的性能指標(biāo)都與國(guó)際一流水平相當(dāng)。
　　(4)基于 MoO3(2 nm)/Ag(9 nm)電極在 PET襯底上成功制備了柔性P3HT:PC61BM有機(jī)太陽(yáng)能電池。其PCE達(dá)到2.50％，完全可以比擬制備在玻璃襯底上的參考器件(PCE為2.71％)。同時(shí)，它還表現(xiàn)出良好的機(jī)械柔性。在經(jīng)過(guò)500次彎曲半徑為1.5 cm的內(nèi)/外彎曲測(cè)試后，器件P

8、CE僅退化5％到10％。
　　(5)為了提高有機(jī)太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性，基于 MoO3/Ag電極制備反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的P3HT:PC61BM有機(jī)太陽(yáng)能電池。采用水溶液法制備的ZnO層作為陰極緩沖層，MoO3作為陽(yáng)極緩沖層，實(shí)現(xiàn)了電極極性的反轉(zhuǎn)。電池的PCE達(dá)到2.76％，完全可以比擬基于ITO電極的參考器件(PCE為2.99％)。該反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的電池有著不錯(cuò)的穩(wěn)定性，在729 h之后器件的PCE仍保持初始值的70％。
　　(6)為了解決 P

9、3HT:PC61BM光吸收系數(shù)偏低的問(wèn)題，引入具有更好吸收特性的PTB7:PC71BM材料來(lái)作為有效層，有效提高了基于MoO3/Ag電極的有機(jī)太陽(yáng)能電池的性能?；贛oO3/Ag電極的常規(guī)結(jié)構(gòu)PTB7:PC71BM有機(jī)太陽(yáng)能電池的PCE高達(dá)3.61％，優(yōu)于相同結(jié)構(gòu)的P3HT:PC61BM電池(PCE為2.71％)。而基于MoO3/Ag電極的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)PTB7:PC71BM有機(jī)太陽(yáng)能電池則表現(xiàn)出更為優(yōu)異的性能，PCE高達(dá)5.55％，完全可以