柔性衬底上铜酞菁薄膜的生长及其在有机太阳电池中的应用

摘要

由于柔性有机薄膜太阳电池具有质量轻、柔韧易加工、可大面积制备等优点，因此利用低成本的有机半导体材料取代价格昂贵的晶体硅制造太阳电池，具有十分重要的意义。铜酞菁(CuPc)和富勒烯(C60)对光的吸收具有互补性，可以覆盖整个太阳光谱。因此，选择CuPc和C60作为光敏材料，利用镀有氧化铟锡(ITO)的柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)作为衬底，研制了柔性有机薄膜太阳电池。
　　 不同于球形C60，平面结构的CuPc是各向异性的，基于CuPc和C60的太阳电池光伏性能受CuPc分子在柔性PET-ITO衬底上排列取向的影响。因此，有必要研究薄膜制备条件对CuPc分子排列方式的影响。结果表明，柔性PET-ITO衬底上蒸发沉积的CuPc薄膜为α-晶型，(200)晶面，分子堆积成分子柱且分子柱轴平行于衬底表面，这意味着π电子云的重叠方向平行于衬底表面。考虑到太阳电池中电荷传递方向垂直于衬底表面，为提高CuPc层空穴的迁移率，应适当控制CuPc薄膜的结晶度。CuPc薄膜的适宜制备条件为：衬底温度30℃，薄膜生长速率10nm/min。
　　 基于CuPc和C60的柔性平面异质结有机太阳电池研究表明，较低的衬底温度和适当的CuPc薄膜生长速度有利于光伏性能的提高。太阳电池的光吸收能力受CuPc薄膜和C60薄膜厚度的影响，当两者厚度分别为40nm和80nm时，光电转换效率(η)为0.24％。在C60和铝电极之间嵌入CuPc缓冲层，由于可以阻止激子向阴极扩散，还能保护有机层在沉积Al电极时不被破坏，有利于提高器件光伏性能。6～10nm的缓冲层可使η提高到0.57％。
　　 考虑到CuPc:C60共混膜的引入，可使给体和受体材料形成连续的网络互穿结构，增大给体、受体接触界面，促进激子的拆分和电荷的传输，因此研究了柔性体相异质结有机太阳电池PET-ITO/CuPc:C60/Al的光伏性能。结果发现，当衬底温度为30℃、共混膜中CuPc含量为33％、共混膜厚度为100nm和共混膜生长速率为10nm/min时，η达到0.82％。
　　 考虑到共混膜两侧增加纯给体层和受体层，一方面可避免电子给体和电子受体与同一种电极接触，另一方面可借助纯给体层和受体层比共混膜更高的载流子迁移率，制备了柔性平面-体相混合型太阳电池PET-ITO/CuPc/CuPc:C60/C60/CuPc/Al。结果发现，当衬底温度为30℃、CuPc薄膜生长速率为10nm/min、共混膜厚度为90nm、共混膜中CuPc含量为33％、CuPc缓冲层厚度为10nm时，开路电压(Voc)为0.296V，短路电流密度(Jsc)为0.76mA/cm2，填充因子(FF)为0.41，η为0.85％。
　　 考虑到柔性有机薄膜太阳电池在制备和使用过程中的弯曲变形，因此对平面-体相混合型有机太阳电池进行了拉伸弯曲和压缩弯曲试验。结果表明，当拉伸弯曲曲率在0～1.2cm-1、压缩弯曲曲率在0～1.35cm-1范围内变化时，太阳电池光伏性能基本不随弯曲曲率的变化而变化。若超出此范围，拉伸弯曲将使Jsc和η有所下降；压缩弯曲使Voc和η有所降低，而Jsc则有所增加。弯曲次数对光电转换效率影响较小，弯曲200次后，拉伸弯曲使η降低2.4％，压缩弯曲使η降低3.5％。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：Glossary of Abbreviation and Symbol

声明

第一章 绪论

1.1概述

1.2有机太阳电池材料

1.3有机半导体薄膜的生长

1.4有机薄膜太阳电池的结构与工作原理

1.5柔性有机薄膜太阳电池

1.6研究内容与意义

参考文献

第二章 实验材料、仪器及研究方法

2.1实验材料

2.2实验仪器

2.3真空蒸发镀膜

2.4薄膜的表征

2.5有机薄膜太阳电池的制备

参考文献

第三章 柔性衬底上铜酞菁薄膜的生长

3.1概述

3.2铜酞菁薄膜的制备

3.3结果与讨论

3.4小结

参考文献

第四章 柔性平面异质结有机太阳电池的制备及其光伏性能

4.1概述

4.2柔性平面异质结有机太阳电池的制备及其工作原理

4.3结果与讨论

4.4小结

参考文献

第五章 柔性体相异质结有机太阳电池的制备及其光伏性能

5.1概述

5.2柔性体相异质结有机太阳电池的制备及其工作原理

5.3结果与讨论

5.4小结

参考文献

第六章 柔性平面-体相混合型有机太阳电池的制备及其光伏性能

6.1概述

6.2柔性平面-体相混合型有机太阳电池的制备及其工作原理

6.3结果与讨论

6.4小结

参考文献

第七章 柔性有机薄膜太阳电池的弯曲

7.1概述

7.2弯曲试验

7.3结果与讨论

7.4小结

参考文献

结论

攻读博士学位期间发表论文

致谢