CN107452880A - 一种基于小周期有机太阳能电池结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于小周期有机太阳能电池结构，其由上至下依次包括阳极层ITO、阳极缓冲层PEDOT：PSS、有机聚合物层P3HT：PCBM、阴极层Ag，所述阴极层Ag上设有周期性凸出于阴极层的Ag光栅，在所述有机聚合物层P3HT：PCBM与阴极层之间以及有机聚合物层P3HT：PCBM与Ag光栅之间均设有电解质涂层。本发明提出了在太阳能电池小周期结构中引入电解质涂覆层在金属光栅表面，涂层的引进可有效的消除激子的淬灭，电子和空穴的复合，提高了激子的利用率，从而提高了太阳能电池的光电转换效率，同时，涂层的使用也降低了金属阴极及Ag光栅的氧化。

Description

一种基于小周期有机太阳能电池结构
技术领域
本发明涉及有机光电器件技术领域，具体涉及到一种基于小周期含电解质涂层的有机太阳能电池结构，该电池采用小周期结构并在有机聚合物和金属阴极间添加电解质涂覆层，制备出了功率转化效率较高的有机太阳能电池。
背景技术
有机太阳能电池以其成本低、易于制备、易与大面积的弯曲基底兼容等优点成为太阳能电池的重要成员。然而，目前的有机太阳能电池的光电转化效率比无机太阳能电池要低很多。这是目前有机太阳能电池发展的瓶颈。为此，人们提出了各种不同的方法来提高有机太阳能电池的光电转换效率。目前，研究最深入应用最广泛的是表面等离子体共振技术。表面等离子体共振是在有机太阳能电池的活性层中引入金属纳米光栅或纳米颗粒结构，在光的作用下，金属表面的电子受激产生电子集体共振现象。这种现象使得金属表面的电场大大增强，从而提高光子的吸收。
为了使表面等离子共振激发的离子与活性层材料的吸收频带相匹配，金属光栅的周期通常都在几百纳米，然而那些周期小于100nm的小周期金属光栅有机太阳能电池却很少有人研究。根据拉曼散射原理，小周期结构的金属在光照下会产生表面增强的拉曼散射，形成热电效应。当两个金属颗粒之间只有几纳米的间隔时，在两个金属颗粒之间诱导形成的电场将会被提高几个数量级。而这种增强的电场能够大大提高对光子的束缚能力，从而提高光子的吸收。因此，在活性层中加入小周期金属光栅也是提高光吸收的一个有效方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于小周期含电解质涂覆层的有机太阳能电池结构。利用本发明结构，可以进一步提高有机太阳能电池的功率转换效率。
本发明的一种基于小周期有机太阳能电池结构，其由上至下依次包括阳极层ITO、阳极缓冲层PEDOT：PSS、有机聚合物层P3HT：PCBM、阴极层Ag，所述阴极层Ag上设有周期性凸出于阴极层的Ag光栅，在所述有机聚合物层P3HT：PCBM与阴极层之间以及有机聚合物层P3HT：PCBM与Ag光栅之间均设有电解质涂层。
本发明所述的基于小周期有机太阳能电池结构，优选的，所述电解质涂层为金属氧化物，更优选的，所述金属氧化物为TiO2、ZnO或MoO3。
本发明所述的基于小周期有机太阳能电池结构，优选的，所述电解质涂层厚度1-3nm。
本发明所述的基于小周期有机太阳能电池结构，优选的，所述阳极层ITO厚度95-105nm、阳极缓冲层PEDOT：PSS厚度48-52nm、有机聚合物层P3HT：PCBM厚度102-110nm、Ag光栅厚度25-28nm、阴极层Ag厚度26-32nm、电解质涂层厚度1-3nm、Ag光栅的周期宽度18-22nm、Ag光栅的间隔为3-7nm；
更优选的，所述阳极层ITO厚度100nm、阳极缓冲层PEDOT：PSS厚度50nm、有机聚合物层P3HT：PCBM厚度106nm、Ag光栅厚度26nm、阴极层Ag厚度30nm、电解质涂层厚度1nm、Ag光栅的周期宽度20nm、Ag光栅的间隔为4nm。
本发明是在小周期结构中引入电解质涂层对太阳能电池结构进一步优化，从而使有机太阳能电池的功率得到了较大的提高。
本发明创新之处在于提出了在太阳能电池小周期结构中引入电解质涂覆层在金属光栅表面，涂层的引进可有效的消除激子的淬灭，减少了电子和空穴的复合，提高了激子的利用率，从而提高了太阳能电池的光电转换效率。同时，涂层的使用也降低了金属阴极及Ag光栅的氧化。
附图说明
图1为本发明的有机太阳能电池结构示意图；
图2为不同凹槽宽度的激子平均生成率；
图3为不同电解质涂覆层太阳能电池的I-V曲线对比图；
图4为不同厚度涂覆层太阳能电池的I-V曲线对比图。
图中：1.阳极层ITO；2.阳极缓冲层PEDOT：PSS；3.有机聚合物层P3HT：PCBM；4.电解质涂层；5.阴极层Ag；6.Ag光栅。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的内容进行进一步说明。
实施例1
如图1所示，本发明的一种基于小周期有机太阳能电池结构，其由上至下依次包括阳极层ITO 1、阳极缓冲层PEDOT：PSS 2、有机聚合物层P3HT：PCBM 3、阴极层Ag 5，阴极层Ag上设有周期性凸出于阴极层Ag的Ag光栅6，在有机聚合物层P3HT：PCBM与阴极层之间以及有机聚合物层P3HT：PCBM与Ag光栅之间均设有电解质涂层。Ag光栅6周期性凸出于阴极层Ag也即是在阴极层Ag上均布有许多形成了凸起部分的Ag光栅结构。如图1中，两条竖直虚线之间的部分即为太阳能电池结构的一个小周期结构，Ag光栅的周期宽度P为20nm、设有电解质涂层4的Ag光栅的间隔W为4nm。
本发明中采用透明的ITO作为阳极，使得光照顺利通过ITO进入电池内部，其厚度为100nm；PEDOT:PSS作为阳极的缓冲层，对阳极有界面修饰作用，能促进空穴的迁移和降低电荷的复合，增强电荷的累积，其厚度为50nm；P3HT:PCBM为有机活性层，P3HT和PCBM是优良的电子给体和受体，因此，这两者混合形成的聚合物具有良好的激子传输、解离能力，而且还是优良的空穴和电子的传输材料，具有较好的电荷迁移率，使得电荷能顺利传输到阴阳两极，其厚度T为106nm；Ag作为金属阴极，它的功函数较低，能与有机活性层材料形成良好的欧姆接触，提高电子的迁移率，其厚度为30nm。在有机活性层的底部(阴极Ag上部)加入了短距离的Ag光栅结构，为了使得两光栅之间形成短距离，涂覆电解质涂层4后的Ag光栅的间隔W为4nm，Ag光栅厚度H为26nm。太阳光以AM1.5G的辐射照度从透明ITO垂直入射到有机太阳能电池中。
根据拉曼散射原理，小周期结构的金属在光照下会产生表面增强的拉曼散射，形成热电效应。这种增强的电场能够大大提高对光子的束缚能力，从而提高光子的吸收。本发明是在小周期太阳能电池结构基础上在光吸收层和金属光栅之间添加电解质涂层，消除阴极引起的激子淬灭，提高了激子的利用率，从而增强了光电转化率，同时，涂层的使用也降低了金属阴极及光栅的氧化。
本发明通过FDFD算法以及MATLAB仿真模拟了光栅间距离对光吸收的影响。
为了对有机太阳能电池的光特性进行研究，获得磁场Hz，就要从波动方程的仿真计算开始。
其中，k0为自由空间中的波数。之后运用FDFD算法对(1)式进行离散差分，通过迭代计算，求出磁场Hz。通过法拉第电磁感应定律，求出电场E。根据电场，可以计算光的吸收密度η，分析有太阳能电池的吸光性能。
在研究有机太阳能电池的电学特性之前，必须根据电场E求出激子的生成率G
其中，h为普朗克常量，nr和ki是活性层材料的复反射系数的实部和虚部，E为电场，Γ是AM1.5G的太阳光能量辐射谱。有机太阳能电池电学特性的研究，主要是对半导体方程(泊松方程、连续性方程、漂移-扩散方程)的求解。
其中，ε是有机活性层的介电常数；q是单位电荷；φ表示电势；n和p分别表示电子和空穴的浓度；μn和μp为电子和空穴的迁移率；Dn和Dp为电子和空穴的扩散系数；G、R和Q表示激子生成率、复合率和解离率。其中，电子和空穴的电流密度为Jn＝-qμnn▽φ+qDnn和Jp＝-qμpp▽φ-qDpp。此外，边界条件对于漂移-扩散方程的求解有着极其重要的作用。对于肖特基接触，电势的边界条件为
其中，Va是外加电压；Wm是金属的功函数。在欧姆接触中，内建电场是给体最高电子占有轨道(HOMO)能级和受体最低电子未占轨道(LUMO)能级的电势差。采用纽曼边界条件来截断太阳能电池的左右边界，即
其中，N是有机太阳能电池左右边界的法向量。有机太阳能电池的顶部和底部的边界条件可表示为
阴极 (8)
阳极 (9)
其中，Nc和Nv是电子和空穴的有效态密度；ψn是LUMO和阴极之间的注入壁垒；ψp是HOMO和阳极之间的注入壁垒；kB是波尔兹曼常数，T为温度。电子迁移率(un)7.4×10-7m2/Vs，空穴迁移率(up)7.4×10-8m2/Vs，有效态密度(Nc)2.5×1025m-3。
确定光栅间的距离
表面增强的拉曼散射对两金属的间距非常敏感，只有当两个金属的间距足够小时，才能在相邻的金属表面形成表面增强的拉曼散射，使得其间隔空间中的电场得到增强，从而提高光吸收。从图2中可以看到激子生成率在凹槽宽度(Ag光栅的间隔)W＝4nm时，达到最大；当宽度小于4nm时，激子生成率有小幅度的下降；当宽度大于4nm时，激子生成率会大幅度下降。理论仿真与设计结果表明金属光栅间最优距离为4nm。
实施例2
选用电解质MoO3、ZnO、TiO2作为涂层。表1为采用不同电解质涂层太阳能电池电特性对比(涂层厚度1nm)，图3为对比变化趋势图，图中曲线从上往下依次为TiO2、ZnO、MoO3、标准结构器件。太阳能电池性能测试均是matlab仿真完成的。表1和图3结果表明涂覆TiO2涂层后的电池结构短路电流从标准结构的71.85A/m2提升到了100.01A/m2，其光电转化效率(PCE)也由2.4％提高至3.3％，提升了37.5％。总体上，由于电解质涂覆层的加入，使得有机太阳能电池的光电效率得到提高，其整体的性能也有一定的改善。标准器件为不涂覆电解质涂层的太阳能电池结构。
表1不同材质的涂层电池电特性与不含涂层电池电特性比较
实施例3
该实施例展示了不同厚度TiO2材料作为电解质涂层时本发明器件的短路电流、开路电压、填充因子及功率效率的变化。表2为基于不同TiO2、ZnO、MoO3厚度的本发明器件的短路电流JSC、开路电压VOC、填充因子FF及功率转化效率PCE变化，图4为变化趋势图，图中曲线从上往下依次为TiO2-1nm、TiO2-2nm、TiO2-3nm、TiO2-5nm、TiO2-8nm。由表2-4和图4可以看出本发明器件随着电解质涂层的厚度增加短路电流、光电转化效率有着明显的减小，因此可选取电解质涂层1nm作为最优厚度。
表2不同厚度TiO2材料作为电解质涂层时本发明器件的电特性变化
涂层厚度 JSC(A/m2) VOC(V) FF PCE(％)
TiO2-1nm 100.01 0.61 0.53 3.3
TiO2-2nm 89.84 0.60 0.54 3.0
TiO2-3nm 83.21 0.60 0.54 2.7
TiO2-5nm 70.55 0.59 0.54 2.2
TiO2-7nm 56.94 0.59 0.54 1.8
表3不同厚度ZnO材料作为电解质涂层时本发明器件的电特性变化
涂层厚度 JSC(A/m2) VOC(V) FF PCE(％)
ZnO-1nm 96.98 0.61 0.54 3.1
ZnO-2nm 87.72 0.60 0.54 2.9
ZnO-3nm 77.52 0.60 0.54 2.5
ZnO-5nm 67.85 0.59 0.54 2.2
ZnO-7nm 58.52 0.59 0.54 1.9
表4不同厚度MoO3材料作为电解质涂层时本发明器件的电特性变化
涂层厚度 JSC(A/m2) VOC(V) FF PCE(％)
MoO3-1nm 95.00 0.61 0.54 3.1
MoO3-2nm 86.77 0.60 0.54 2.8
MoO3-3nm 77.26 0.60 0.54 2.5
MoO3-5nm 65.34 0.60 0.54 2.1
MoO3-7nm 56.33 0.60 0.54 1.8

Claims (6)

1.一种基于小周期有机太阳能电池结构，其由上至下依次包括阳极层ITO、阳极缓冲层PEDOT：PSS、有机聚合物层P3HT：PCBM、阴极层Ag，其特征在于，所述阴极层Ag上设有周期性凸出于阴极层的Ag光栅，在所述有机聚合物层P3HT：PCBM与阴极层之间以及有机聚合物层P3HT：PCBM与Ag光栅之间均设有电解质涂层。
2.如权利要求1所述基于小周期有机太阳能电池结构，其特征在于，所述电解质涂层为金属氧化物。
3.如权利要求2所述基于小周期有机太阳能电池结构，其特征在于，所述金属氧化物为TiO2、ZnO或MoO3。
4.如权利要求1-3任一项所述基于小周期有机太阳能电池结构，其特征在于，所述电解质涂层厚度1-3nm。
5.如权利要求4所述基于小周期有机太阳能电池结构，其特征在于，所述阳极层ITO厚度95-105nm、阳极缓冲层PEDOT：PSS厚度48-52nm、有机聚合物层P3HT：PCBM厚度102-110nm、Ag光栅厚度25-28nm、阴极层Ag厚度26-32nm、电解质涂层厚度1-3nm、Ag光栅的周期宽度18-22nm、Ag光栅的间隔为3-7nm。
6.如权利要求5所述基于小周期有机太阳能电池结构，其特征在于，所述阳极层ITO厚度100nm、阳极缓冲层PEDOT：PSS厚度50nm、有机聚合物层P3HT：PCBM厚度106nm、Ag光栅厚度26nm、阴极层Ag厚度30nm、电解质涂层厚度1nm、Ag光栅的周期宽度20nm、Ag光栅的间隔为4nm。
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