【摘 要】
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基于溶胶-凝胶法(Sol-gel)制备的氧化锌(ZnO)基倒装有机太阳能电池(OSC)因其较高的空气稳定性而受到广泛关注。紫外(UV)辐照常用于改善基于ZnO阴极界面层的OSC器件性能,但是,UV光照或者太阳光照会提升ZnO薄膜的导电性,导致ZnO阴极界面层OSC光活性面积扩大,进一步限制了倒装OSC的工业化发展进程。此外,当ZnO薄膜的方块电阻降低至1000Ω/sq时,ZnO可作为透明电极用于光
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基于溶胶-凝胶法(Sol-gel)制备的氧化锌(ZnO)基倒装有机太阳能电池(OSC)因其较高的空气稳定性而受到广泛关注。紫外(UV)辐照常用于改善基于ZnO阴极界面层的OSC器件性能,但是,UV光照或者太阳光照会提升ZnO薄膜的导电性,导致ZnO阴极界面层OSC光活性面积扩大,进一步限制了倒装OSC的工业化发展进程。此外,当ZnO薄膜的方块电阻降低至1000Ω/sq时,ZnO可作为透明电极用于光电器件中。然而,目前报道的ZnO基透明电极大多基于金属离子掺杂制备,这不仅限制了其在近红外区域的透过率,而且金属离子在晶界处的扩散也会降低器件性能。因此,深入理解ZnO导电率与掺杂工艺的关系,并调控ZnO导电率将其应用于OSC中,对ZnO基OSCs的发展意义深远。本文通过UV光掺杂调控ZnO薄膜导电率,一方面通过锂(Li)离子掺杂抑制ZnO阴极界面层的导电率,提高器件测试准确性,另一方面通过多层沉积法和聚乙氧基乙烯亚胺(PEIE)共掺杂的方法提高ZnO电极导电率,从而提升基于ZnO阴极界面层OSCs的光伏性能。具体研究内容如下:(1)致力于解决因UV辐照(器件测试过程不可避免)提高ZnO阴极界面层的导电率而导致OSC光活性面积高估的问题。这部分研究工作通过制备Li掺杂的ZnO(Li-ZnO)薄膜,并将其作为阴溶胶-凝胶法ZnO的制备及其在有机太阳能电池中的应用极界面层。结果表明,Li离子的引入抑制了ZnO纳米粒子的形成,进而抑制UV处理后ZnO薄膜横向导电率的提升,从而解决了因UV辐照后ZnO导电率过高而引起的OSC光活性面积高估的问题。同时,Li离子的引入降低了OSC器件中的陷阱辅助载流子复合损失,从而提高了基于Li-ZnO阴极界面层的OSC的填充因子(FF)和光伏性能。此外,与基于ZnO阴极界面层的OSC相比,基于Li-ZnO的OSCs具有更高的空气稳定性,有利于OSC的产业化发展。(2)利用持续的UV光掺杂效应,提高Sol-gel法制备的ZnO电极的导电率。在这一部分研究工作中,我们通过使用多层沉积ZnO薄膜的工艺策略,大幅提高了UV光掺杂后的ZnO薄膜中的氧空位密度,进而将Sol-gel法ZnO薄膜的导电率提升至300 S/cm,且其在可见光区和近红外区(300-1500 nm)均具有较高的光透过率。将这类叠层ZnO导电薄膜替代氧化铟锡(ITO)作为阴极构筑的OSCs具有更低的界面扩散损失,从而表现出更高的开路电压。(3)将PEIE表面掺杂ZnO与UV光掺杂两种方法结合,进一步提升Sol-gel法制备的ZnO电极的导电率,同时提高薄膜稳定性。在该研究中,我们探究了PEIE表面掺杂叠层ZnO薄膜的工艺条件与其导电率的关系。结果表明,对叠层ZnO的上表面进行PEIE修饰时,ZnO薄膜导电率可以提升至918 S/cm。将这类ZnO薄膜作为阴极制备无ITO的OSCs时,器件的FF不受器件面积大小的限制。
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