有機太陽能電池中金屬-有機界面物理過程的唯象研究.pdf

1、有機太陽能電池是基于有機小分子或共軛高聚物材料的光伏器件。相較于無機太陽能電池，它具有成本低、柔性可折疊、制備方便等許多優(yōu)點，因而得到了人們的廣泛關(guān)注，成為近年來一個很熱門的研究領(lǐng)域。本論文就是以有機太陽能電池作為研究對象的，重點關(guān)注它的金屬電極與有機層界面處的物理性質(zhì)及其對器件的工作參數(shù)和效率的影響。第一章是對應(yīng)用背景和研究方法的概述。在第二章我們首先介紹了有機太陽能電池的三代發(fā)展歷程;然后以體異質(zhì)結(jié)器件為例，詳細(xì)描述了有機太陽能電池

2、中激子的產(chǎn)生、擴(kuò)散、拆分與載流子的生成和輸運等一系列光電過程。第三章講述理論方法，即器件模型。
　　器件模型是由描述電荷密度、電場、電流等宏觀物理量的時間演化的幾個方程組成的，幾乎適用于所有電子器件的研究。鑒于激子在有機體系中的重要性，我們將激子的動力學(xué)方程納入器件模型，加以改進(jìn)構(gòu)成一套可以統(tǒng)一描述器件內(nèi)光脈沖照射下的瞬態(tài)過程和恒定光照下的穩(wěn)態(tài)過程的方法。用這一方法，我們從唯象的角度研究了器件的激子動力學(xué)、界面拆分、表面損失和開路

3、電壓等物理問題，結(jié)論如下所列。
　　單層器件中的瞬態(tài)光電壓實驗表明激子在金屬(ITO)/有機界面的拆分很大而在在體內(nèi)的拆分很微弱。通過將器件分為界面和體內(nèi)兩個不同的拆分區(qū)域，我們模擬了激子在存在界面拆分下的演化分布。為了表征界面拆分的重要性，定義界面拆分比為發(fā)生界面拆分的激子占總拆分激子的比重，界面拆分比隨界面拆分時間（速率）的減小（增加）而升高，最終飽和。體內(nèi)拆分時間越大則飽和值越大。界面拆分使得界面附近的激子密度顯著降低，在極

4、強的拆分速率下，界面的激子是耗盡的，這是拆分比飽和的原因。瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)下的界面拆分比是一致的，但受光照強度的影響，強激光脈沖下界面拆分比的飽和值比普通弱光源的要大一些。對于歐姆接觸的器件，電子空穴的二次復(fù)合在接近開路條件時能讓提高體內(nèi)的激子密度，從而使界面拆分比降低。模擬J-V曲線發(fā)現(xiàn)，短路電流會隨界面拆分時間的減小或體內(nèi)拆分時間的增大而降低，這源于界面電子流Jn在強界面拆分下的提升，因而Jn也能表征界面拆分的強弱。
　　表面電荷損

5、失在體異質(zhì)結(jié)器件中是個嚴(yán)重的問題，但很難用實驗探測。我們定義了一個表面損失幾率并推導(dǎo)出了它的由純粹的宏觀物理量組成的表達(dá)式，由此得到表面損失源于載流子進(jìn)入各自的錯誤電極，即電子流入陽極，空穴流入陰極。數(shù)值模擬表明損失表面損失幾率在遠(yuǎn)離凈光電流的補償電壓的電壓范圍內(nèi)維持在一個較低的恒定值上，它隨電子空穴注入勢壘的變大而逐步升高，對偏壓的依賴性也變大?？紤]到金屬/有機界面拆分之后，它隨界面拆分速率的增大而增大，在接近無窮大的速率時飽和。極化

6、子對沿給體/受體(D/A)界面的擴(kuò)散也對表面損失有很重要的貢獻(xiàn)，當(dāng)器件的界面拆分速率足夠大時，界面與體內(nèi)極化子對密度梯度很大，在大的擴(kuò)散系數(shù)下能形成很強的擴(kuò)散流，因而這時表面損失幾率隨極化子對擴(kuò)散系數(shù)的增大而迅速上升。表面損失對器件效率的損害主要表現(xiàn)在短路電流和開路電壓的減小。抑制表面損失的主要手段是在電極與有機層的界面處添加合適的插入層以阻擋錯誤流向的載流子并減弱界面拆分。
　　通過模擬電流-電壓特性曲線，我們驗證了開路電壓隨光

7、照強度對數(shù)增大的關(guān)系，但在大光強下器件的填充因子迅速減小。模擬表明用電子和空穴的遷移率具有較大差異（非均衡）的有機材料制備器件會緩解這一問題。我們還探討了不同注入勢壘下開路電壓的變化，發(fā)現(xiàn)它并不是隨總注入勢壘的增加單調(diào)下降的，而是有個由極小變大再減小的過程。這源于電勢分布或能帶在兩個金屬電極與有機層界面附近的彎曲，注入勢壘越小，局部電荷堆積也越多，彎曲程度就越大。因此，為達(dá)到最大的開路電壓，器件的兩個界面并不是越接近歐姆接觸越好，而是要