有机太阳能电池具有成本低廉、质量轻、制备工艺简单、柔韧性好等优点,并且可以通过卷对卷工艺实现大规模生产,因此在过去的十年中受到人们的广泛关注。随着人们对有机太阳能电池的材料、器件结构和制备工艺的不断改进,有机太阳能电池的性能得到不断提高,能量转换效率(power conversion efficiency,PCE)已经接近商业化的要求,使它不再局限于学术研究领域,而逐渐成为一种有希望得到实际应用的光伏技术。有机太阳能电池的实际应用离不开低成本卷对卷制备工艺,这一工艺要求有廉价的柔性电极。目前有机太阳能电池中最常用的透明电极—氧化铟锡(ITO)无法满足这一需求。首先因为铟的稀缺和严苛的制备条件(通常通过溅射工艺)导致了ITO电极高昂的成本。其次,ITO的易碎性和制备过程中的高温工艺,使它无法兼容柔性衬底,不能满足卷对卷制备工艺的要求。人们逐渐意识到ITO电极已经成为制约有机太阳能电池大规模应用的瓶颈之一,寻找新型透明导电材料迫在眉睫。目前,新型透明电极主要包括不含铟的透明导电氧化物、导电聚合物、金属纳米线、石墨烯、碳纳米管和金属薄膜等。在众多ITO替代电极中,金属薄膜电极凭借其简单的制备工艺、低廉的成本、良好的导电性能、优越的柔韧特性成为最有希望取代ITO的电极之一。而金属薄膜电极的不足之处在于其相对较低的透光率。为了改善它的透光率,近几年来人们做了大量的工作,但是绝大多数的研究都集中在改变金属种类和利用光学干涉效应。而本文则是从金属薄膜的成膜机理出发,在保证金属薄膜良好导电性的前提下尽可能减小其厚度,也就是通过减小金属薄膜的渗透阈值来有效提高电极的透光率。研究得到的最佳电极成功应用在不同类型有机太阳能电池中,都实现了优异的性能。主要的结论和创新点如下:(1)深入研究Ag薄膜的成膜机理。当厚度为其渗透阈值时,Ag薄膜的透光率和电导率达到最优的折衷,相应有机太阳能电池往往能实现最佳性能。研究结果表明在玻璃上Ag薄膜的渗透阈值为11 nm。基于这一厚度Ag薄膜电极的常规结构P3HT:PC61BM有机太阳能电池获得了高达2.57%的PCE。这是基于不同厚度Ag薄膜电极的有机太阳能电池中的最高效率,完全可以比拟基于ITO电极的参考器件(PCE为2.85%)。(2)提出通过引入MoO3插入层来降低Ag薄膜的渗透阈值以提高其透光率的方法。研究表明,MoO3插入层的引入能够有效提高Ag薄膜在玻璃衬底上的附着,成功地把Ag的阈值由11 nm降低到9 nm。实验得到的最优结构的MoO3(2 nm)/Ag(9 nm)电极与Ag(11 nm)电极相比,表现出接近的方阻值和更高的透光率,相应电池的PCE也由2.57%提高到2.71%,接近基于ITO电极的参考器件(PCE为2.85%),达到国际先进水平。(3)基于MoO3(2 nm)/Ag(9 nm)电极在玻璃衬底上成功制备了半透明P3HT:PC61BM有机太阳能电池。通过对Ca和Ag阴极厚度的不同组合,基于Ca(15nm)/Ag(15 nm)阴极的半透明有机太阳能电池有着最高的透光率。当太阳光从电池的阳极侧或阴极侧入射时,该半透明电池的PCE分别达到1.79%和0.67%。相应的性能指标都与国际一流水平相当。(4)基于MoO3(2 nm)/Ag(9 nm)电极在PET衬底上成功制备了柔性P3HT:PC61BM有机太阳能电池。其PCE达到2.50%,完全可以比拟制备在玻璃衬底上的参考器件(PCE为2.71%)。同时,它还表现出良好的机械柔性。在经过500次弯曲半径为1.5 cm的内/外弯曲测试后,器件PCE仅退化5%到10%。(5)为了提高有机太阳能电池的稳定性,基于MoO3/Ag电极制备反转结构的P3HT:PC61BM有机太阳能电池。采用水溶液法制备的ZnO层作为阴极缓冲层,MoO3作为阳极缓冲层,实现了电极极性的反转。电池的PCE达到2.76%,完全可以比拟基于ITO电极的参考器件(PCE为2.99%)。该反转结构的电池有着不错的稳定性,在729 h之后器件的PCE仍保持初始值的70%。(6)为了解决P3HT:PC61BM光吸收系数偏低的问题,引入具有更好吸收特性的PTB7:PC71BM材料来作为有效层,有效提高了基于MoO3/Ag电极的有机太阳能电池的性能。基于MoO3/Ag电极的常规结构PTB7:PC71BM有机太阳能电池的PCE高达3.61%,优于相同结构的P3HT:PC61BM电池(PCE为2.71%)。而基于MoO3/Ag电极的反转结构PTB7:PC71BM有机太阳能电池则表现出更为优异的性能,PCE高达5.55%,完全可以比拟基于ITO电极的参考器件(PCE为6.11%)。该电池还表现出优异的稳定性,729 h后器件的PCE仍然能保持初始效率的85%,稳定性甚至略优于基于ITO电极的参考器件(729 h后器件PCE退化了16%)。以上结果与国际上报道的先进水平相当。