Fe_3O_4作为阳极缓冲层在有机小分子太阳能电池中作用的研究

【摘要】：随着科学的不断发展,人们对传统能源的消耗越来越大，终究会消耗殆尽。人们对新型能源的开发势在必行，其中太阳能成为最有潜力的替代能源。无机太阳能电池虽然具有较高的功率转化效率，但由于其生产成本高，非柔性等缺点，无法大规模的民用化。而有机太阳能电池具有生产成本低，柔性和生产工艺简单等优点，具备了大规模民用化的潜力，所以有机太阳能电池的研发受到人们的广泛关注。 本论文首先介绍了太阳能电池研究意义和研究进展，以及有机小分子太阳能电池的研究现状。有机小分子因其易提纯，且能实现较高的载流子迁移率，从而使有机太阳能电池的应用范围进一步拓宽。然后详细介绍了有机小分子太阳能电池器件的制作条件和工艺，器件采用双层异质结结构可以克服体异质结结构中均匀性等不可预测的因素的影响，在CuPc与ITO薄膜层之间引入Fe_3O_4材料作为缓冲层，采用高真空热蒸发方法制作各层薄膜和Al金属电极，完成双层异质结ITO/Fe_3O_4/CuPc/C_(60)/BCP/Al有机太阳能电池的制作，最后对引入不同厚度缓冲层的器件进行测试并对测试结果进行分析。实验结果显示，引入厚度为1nm的Fe_3O_4可以最大程度提高器件的功率转换效率。器件的开路电压为0.344V，短路电流密度为2.52mA/cm~2，填充因子经计算后为49.6%，能量转换效率达到了0.43%。应用紫外光电子能谱和原子力显微镜等表征手段，说明和论述了Fe_3O_4在器件中作为阳极缓冲层，使得器件性能得到提高的机理。此外，利用软件模拟了波长为470nm和625nm入射光照射器件的光场分布，将引入1nm的Fe_3O_4作为缓冲层的器件与未引入1nm的Fe_3O_4器件进行对比，器件光场分布改变较小，说明引入1nm的Fe_3O_4不会在吸收光能方面影响器件的性能。 器件性能主要受到功函数与薄膜表面形貌的影响。一般条件下，当增加阳极功函数，则CuPc与阳极之间的能级差就会减小，空穴的收集效率增加，器件的短路光电流就会提高。这是因为在阳极ITO与Fe_3O_4薄膜的交界面处，缓冲层Fe_3O_4薄膜与CuPc的界面处，存在界面偶极子。正是由于界面偶极子的作用，能极差减小了。在选用Fe_3O_4作为阳极缓冲层后，由紫外光电子能谱可知，CuPc与阳极之间的能级差减小了0.2eV。当阳极表面形貌变化时，同样会影响器件的性能，阳极表面变得越粗糙，表面处局部陷阱密度就会增加。这些陷阱能够俘获更多的载流子，阳极表面就会俘获更多的空穴，阻挡了空穴注入。阳极表面的粗糙度明显的影响了器件的功率转化效率。由原子力显微镜的图像可知，在ITO表面蒸镀Fe_3O_4薄膜，表面的粗糙度变小，由原来的1.79nm变为1.45nm，阳极表面更加平整，薄膜电阻减小，空穴更容易注入，短路光电流增大，功率转化效率提高。这样在阳极表面蒸镀Fe_3O_4薄膜作为阳极缓冲层，影响器件功率转化效率的两种因素得到了改善。 【关键词】：有机小分子太阳能电池 阳极缓冲层 紫外光电子能谱 Fe_3O_4 粗糙度
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 前言12-19
• 1.1 研究意义12-13
• 1.2 太阳能电池发展13-18
• 1.2.1 无机太阳能电池的研究进展13-14
• 1.2.2 有机太阳能电池的研究进展14-18
• 1.3 论文主要研究内容18-19
• 第二章 有机小分子太阳能电池的原理及材料特性19-36
• 2.1 无机太阳能电池工作原理19-20
• 2.2 太阳能电池基本结构20-21
• 2.3 有机太阳能电池工作原理21-22
• 2.4 有机太阳能电池的结构类型22-25
• 2.4.1 单层有机太阳能电池22-23
• 2.4.2 双层有机太阳能电池23
• 2.4.3 体相异质结型有机太阳能电池23-25
• 2.4.4 扩散型双层异质结有机太阳能电池25
• 2.5 有机太阳能电池材料25-27
• 2.5.1 自然中有机太阳能电池材料25-26
• 2.5.2 有机半导体材料的光电特性26-27
• 2.6 载流子在器件中的输运过程27-28
• 2.7 太阳能电池器件物理参数28-36
• 2.7.1 功率转化效率29-32
• 2.7.2 填充因子32-33
• 2.7.3 短路电流33-34
• 2.7.4 开路电压34-35
• 2.7.5 串联电阻35
• 2.7.6 并联电阻35-36
• 第三章 双层异质结有机太阳能电池的制备与测试36-46
• 3.1 双层异质结有机太阳能电池结构设计36-37
• 3.2 器件所选用材料37-40
• 3.3 器件制作的工艺流程40-43
• 3.3.1 实验所需的仪器设备40-41
• 3.3.2 ITO 导电玻璃的处理41-42
• 3.3.3 器件各层膜的制作42-43
• 3.3.4 器件阴极的制作43
• 3.4 器件的参数测试与分析43-46
• 3.4.1 器件的光电流曲线的对比测试44-45
• 3.4.2 测试结果分析与讨论45-46
• 第四章 对有机小分子太阳电池阳极缓冲层作用的研究46-70
• 4.1 阳极修饰对阳极表面形貌的影响46-54
• 4.1.1 原子力显微镜原理46-48
• 4.1.2 原子力显微镜的表征和分析48-51
• 4.1.3 表面形貌对薄膜电阻的影响51-54
• 4.2 阳极反射率的变化54-55
• 4.3 阳极修饰对有机小分子太阳能电池的光场分布的影响55-61
• 4.4 基于 UPS 对有机小分子太阳电池阳极缓冲层表征的研究61-70
• 4.4.1 光电子能谱介绍61-63
• 4.4.2 紫外光电子能谱图的分析方法以及应用63-65
• 4.4.3 器件的紫外光电子能谱分析65-70
• 第五章 结论70-72
• 参考文献72-76
• 作者简介76-77
• 致谢77

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