《用陰極緩衝層提高小分子有機太陽能電池性能的研究》是依託北京大學，由邢英傑擔任負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：用陰極緩衝層提高小分子有機太陽能電池性能的研究
- 項目負責人：邢英傑
- 項目類別：面上項目
- 依託單位：北京大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
小分子有機太陽能電池是一種利用小分子有機半導體材料吸收太陽光產生電能的有機電子器件。在這種器件中，研究發現在電子傳輸層和金屬陰極間加入一層很薄的帶隙較大的有機材料作為陰極緩衝層會明顯提高器件的性能。本課題計畫在小分子有機太陽能電池器件中，在陰極緩衝層與電子傳輸層界面異質結附近有意引入能帶彎曲來改善電子輸運,在器件結構方面最佳化小分子有機太陽能電池。我們希望採用合適的有機半導體材料作為陰極緩衝層與常用電子傳輸層（如C60）構造異質結，在小分子有機太陽能電池器件中形成一個有益於電子被陰極收集的內建電場，從而提高器件的短路電流密度和填充因子。我們還計畫在高真空中製作陰極緩衝層/電子傳輸層異質結針尖樣品並原位測量其場發射特性，利用場發射電流與樣品表面功函式的關係，分析異質結界面附近陰極緩衝層能帶的變化，研究能帶彎曲高度、寬度與材料性質的關係，闡明這種陰極緩衝層提高小分子有機太陽能電池器件性能的原因。
結題摘要
有機小分子太陽能電池器件中一般會包含一個夾在電子傳輸層和陰極金屬之間的陰極緩衝層，常用的陰極緩衝層材料為寬頻隙的有機絕緣體材料，如BCP。研究發現加入陰極緩衝層可以明顯提高器件性能，目前認為陰極緩衝層可以有以下幾種作用：減少激子在陰極界面處的湮滅、阻擋空穴實現選擇性的電子傳輸、阻擋沉積金屬陰極時熱金屬原子向電子傳輸層的擴散、作為光學隔離層增加有源層的光吸收以及保護有源層提高器件壽命。當前對於陰極緩衝層的研究多集中於使用不同材料或兩種材料組合來加強以上幾種作用，從而提高器件指標，例如使用小分子半導體代替BCP以提高電子通過陰極緩衝層的輸運效率。關於陰極緩衝層的其它可能作用，目前很少見到這方面的研究。 本項目針對陰極緩衝層在有機小分子太陽能電池中的作用，提出了一種新機理來改善器件性能，即使用小分子半導體材料作為陰極緩衝層，利用其與電子傳輸層接觸形成的內建電場來提高器件性能。圍繞這個任務目標，本項目主要開展了以下幾項工作： 本項目首先用場發射技術研究了多種有機半導體異質結內部的能帶彎曲，測量了幾種典型給體-受體異質結內部的能帶彎曲，包括ZnPc/C60、CuPc/PTCBI、CuPc/C60和ZnPc/PTCBI異質結。綜合考慮能帶彎曲的方向、高度和寬度等特徵參數，確定使用PTCBI作為受體和電子傳輸層材料，ZnPc作為給體和陰極緩衝層材料。 本項目研究了用小分子半導體材料作為陰極緩衝層對於器件開路電壓的影響，發現與使用BCP作為陰極緩衝層的器件對比，使用ZnPc或CuPc作為陰極緩衝層都可以明顯提高器件的開路電壓，其原因是ZnPc（或CuPc）與鋁電極接觸形成了肖特基結。對此現象我們提出了雙二極體器件模型加以解釋。 本項目還發現了一種不用任何外加強制條件，僅依靠小分子材料本身結構特性產生相分離的方法。通過在傾斜襯底上沉積，我們在ZnPc:C60、CuPc:C60、ZnPc:PTCBI體異質結中產生了自發相分離，提高了器件的短路電流密度。 最後，本項目利用傾斜沉積方法製作了ITO/ZnPc/ZnPc:PTCBI/PTCBI/ZnPc/AL電池，發現PTCBI/ZnPc平面異質結的內建電場有助於載流子在相分離ZnPc:PTCBI體異質結中的輸運，從而提高了器件的填充因子FF，說明利用陰極緩衝層與電子傳輸層接觸形成的內建電場來提高器件性能是一種有效的新方法。
