两步磁控溅射法制备ZnO电子传输层以提高有机太阳能电池效率

摘要

反转型聚合物太阳能电池相比于传统的正型结构有机太阳能电池具有更好抗氧化性和抗衰减能力.要获得性能良好的反转型聚合物太阳能电池,通常需要性能良好的电子传输层和空穴阻挡型材料,典型材料有ZnO和TiO2电子传输层等.采用溶液法制备ZnO和TiO2纳米材料,然后用旋涂获得电子传输层,是当前制备ZnO和TiO2电子传输层的常用方法.本论文采用两步溅射氧化锌(ZnO)法沉积聚合物太阳能电池的电子传输层.第一步采用纯Ar气下溅射氧化锌层,以便ZnO层内保持较高浓度的氧空位,以降低ZnO本体电阻.第二步采用O2/Ar(1∶7)比例溅射氧化锌层,以获得在ZnO/光敏层界面具有较低的接触势垒和优良界面特性.实验发现,基于11nm/4nm和50nm/10nm的两步法溅射的ZnO电子传输层,其反转型P3HT:PCBM聚合物太阳能电池功率转换效率分别可到4.08％和3.13％,这是明显高于在O2/Ar条件下单步溅射15nm和60nm的ZnO层的电池效率.结合紫外光电子能谱(UPS)和ZnO薄膜的光吸收谱,采用O2/Ar混合气体溅射的氧化锌薄膜的导带要纯Ar溅射下ZnO薄膜高0.14eV,降低接触势垒.通过阻抗谱法获得的聚合物太阳能电池电容特性表明，两步法溅射Zn0层电子传输层能有效地提高Zn0层的电子传输能力和降低在Zn0/P3HT:PCBM界面处的电荷积累。低的反向饱和电流和较高的并联电阻，表明两步法溅射的Zn0层电子传输层相比于单步溅射Zn0层，其Zn0电子传输层内部具有更低缺陷和针孔，这说明采用两步溅射法制备Zn0薄膜具有抑止缺陷渗透到整个Zn0层的功能。