聚合物太陽能電池（PSCs）因?yàn)橘|(zhì)量輕、成本低、可大面積卷對(duì)卷生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)被廣泛研究。最近,人們通過新材料的合成、界面層的修飾、活性層形貌的調(diào)控和器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化使得單節(jié)PSCs的能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）超過了13%。而反式聚合物太陽能電池（i-PSCs）由于比正式結(jié)構(gòu)有更高的效率和更好的穩(wěn)定性越來越引起人們的關(guān)注。在反式器件中,通常有一個(gè)陰極界面層（CIL）被插入到ITO和活性層之間來降低ITO的功函數(shù)及改善ITO和活性層之間的界面接觸。氧化鋅（ZnO）因其適合的能級(jí)、低成本、無污染等優(yōu)點(diǎn),成為一個(gè)非常有競(jìng)爭(zhēng)力的陰極界面材料。然而ZnO作為i-PSCs的CIL也有一些缺陷。首先,無機(jī)ZnO與有機(jī)活性層之間的接觸質(zhì)量比較差,它們之間較大的串聯(lián)電阻會(huì)減小載流子傳輸效率,導(dǎo)致較低的短路電流密度(J_SC)和填充因子（FF）;其次,在制備ZnO薄膜的過程中容易引入表面缺陷,這些缺陷會(huì)成為載流子的再結(jié)合中心,嚴(yán)重?fù)p害器件的性能和穩(wěn)定性;最后,溶液加工制備的ZnO薄膜的導(dǎo)電率比較差,這也會(huì)影響電子的傳輸效率,進(jìn)而影響器件的性能。為了解決這些問題,通過合適的材料來修飾ZnO是非常必要... 

【文章來源】：吉林大學(xué)吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

肖特基型太陽能電池(a)器件結(jié)構(gòu)(b)工作原理圖

電池的發(fā)展有深遠(yuǎn)的影響。雙層膜的本質(zhì)是異質(zhì)結(jié)，所以人們稱這類結(jié)構(gòu)的電池為雙層異質(zhì)結(jié)太陽能電池。該類電池的器件結(jié)構(gòu)和工作原理如圖 1.2a 和 1.2b 所示。首先，作為給體的有機(jī)材料吸收光后會(huì)使電子會(huì)從 HOMO能級(jí)躍遷到 LUMO能級(jí)（最低空軌道），這樣就產(chǎn)生了激子。激子擴(kuò)散到給受體界面，解離為電子和空穴。然后電子會(huì)傳輸?shù)绞荏w材料的 LUMO 能級(jí)上進(jìn)而被陰極收集，而空穴會(huì)通過給體材料傳輸?shù)疥枠O。因?yàn)殡p層膜異質(zhì)結(jié)太陽能電池中的雙層膜在制備過程中會(huì)有一定的相互滲透，導(dǎo)致給受體接觸面積較大，給體中產(chǎn)生的激子可以較容易地?cái)U(kuò)散到給受體的界面。而且激子的分離動(dòng)力來自于給受體的 LUMO 和HOMO 能級(jí)差，激子的解離效率明顯高于肖特基型有機(jī)太陽能電池。但是，在雙層膜異質(zhì)結(jié)太陽能電池中，因?yàn)榧ぷ拥膲勖^短，在有機(jī)材料中的擴(kuò)散距離僅有 2-20 nm 左右[7]。所以，為了使產(chǎn)生的激子快速擴(kuò)散到雙層膜的界面，有機(jī)給體材料的厚度要盡可能的薄，但是薄層的活性層對(duì)光的吸收非常有限，這個(gè)問題一直限制著雙層異質(zhì)結(jié)太陽能電池的發(fā)展。

層[9]，形成的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以有效地增加給體和受體的接觸面積。他們制備了結(jié)構(gòu)為 Ca/MEH-PPV:PCBM(1:4)/ITO 的器件，器件效率可以達(dá)到 2.9%。他們首次將這種共混膜的電池稱為體異質(zhì)結(jié)太陽能電池。它最初的結(jié)構(gòu)如圖 1.3a 所示，這種電池的工作原理和雙層異質(zhì)結(jié)太陽能電池類似，共混的給受體膜有非常多的接觸界面，光誘導(dǎo)產(chǎn)生的激子能快速擴(kuò)散到界面解離，這極大的降低了激子在擴(kuò)散過程中的復(fù)合。同時(shí)，產(chǎn)生的載流子能通過較短的途徑到達(dá)電極，提高了載流子的收集效率，所以這種結(jié)構(gòu)的器件效率比較高。但是，這種最初結(jié)構(gòu)的體異質(zhì)結(jié)太陽能電池也有一些缺陷，比如，混合的給受體材料與電極直接接觸，部分給體不可避免的會(huì)與陰極接觸，受體會(huì)與陽極接觸，這樣的結(jié)構(gòu)不利于載流子的傳輸收集。在之后的研究中，人們?cè)诨钚詫雍完帢O之間引入陰極界面層來阻擋空穴傳輸電子，在活性層和陽極之間引入陽極界面層來阻擋電子傳輸空穴[10]。其結(jié)構(gòu)如圖 1.3b，這種器件結(jié)構(gòu)能夠有效地提高激子的分離和載流子的傳輸效率。目前，效率最高的單節(jié)有機(jī)太陽能電池就是這種體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。


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