opv阳极表面修饰技术

OPV阳极表面修饰技术

研究表明，由于OPV阳极的费米能级与有机层的费米能级不匹配，它们之间有很高的势垒高度，因此空穴注入效率较低，为了提高空穴的注入效率，阳极必须采用高功函数的材料，例如半透明金属（如Au）、透明导电聚合物（如聚苯胺，PAN）、半导体金属氧化物（如SnO2、In2O3、CdO、ZnO、Sb2O3、PbO、Au+Ag/SiO2）、ITO（氧化铟/锡Indium

tin

oxide）等。对阳极的修饰主要是提高其功函数，使其表面平整、平滑以扩大电极与有机层的接触面积，从而实现降低空穴注入势垒、提高注入效率的目的。1.ITO阳极修饰因为ITO具有高可见光透过率、良导电性、良基片黏附性、高功函数等特点，所以有机太阳能电池器件一般都采用ITO作为阳极。ITO的功函数依赖其表面的形态结构，为了克服ITO表面的结构缺馅，往往对其进行改性处理。改进方法主要有机械抛光处理、退火处理、在ITO与有机物间插入一层绝缘缓冲层、离子束溅射、在表面覆盖一层薄金属膜、优化ITO制备条件等。现在普遍采用在ITO与有机层间插入缓冲层PEDOT:PSS，同ITO共同作为空穴收集极。该物质是一种掺杂的导电聚合物，具有良好的光电稳定性、透光率以及窄的能隙，由于PEDOT的功函数大于ITO的功函数，所以在结构为ITO/PEDOT:PSS/POPT/A1的器件中，PEDOT:PSS的存在比单纯的ITO/POPT界面更有利于载流子的收集，实验结果也证明前者的电流密度要大于后者。但是PEDOT:PSS材料性质不稳定，易于与ITO发生界面反应，导致器件性能的衰减。Shrotriya等人尝试用新材料V2O5和MoO3替代上述修饰层，并使用原子显微镜AFM观察被修饰后的ITO表面形貌，图像表明表面变得更加平滑、平整。通过原子显微镜（AFM）观察发现，纳米金（Au）层与PEDOT:PSS层相比，表面更加平整，导电性更好，所以用它来修饰ITO后，它的功函数会显著提高（约5.1

eV），这就有效降低了空穴注入势垒，同时发现器件的寿命也得到了延长。

Kim认为采用单分子自组装技术在阳极表面生长单分子层可以改变阳极的表面能并改善有机层表面形态缺陷，2007年，他在阳极ITO表面生长一层单分子层CF3，最后器件经过退火处理，实验证明这不仅优化了器件的结构，而且显著提高空穴注入阳极的能力。2.新型电极材料由于地球上In元素不仅稀少，而且危害环境和人类的健康，所以有必要寻求新的阳极材料来替代ITO材料，这样就可获得成本较低而性能优良的器件。近年来，一些人尝试用ZnO来取代ITO，这种材料弥补了ITO材料的不足之处，但它的导电能力较差，通过掺杂Ⅲ族元素（如Ba、Al、Ga、In）后，ZnO膜的透明度和导电性都有所改善。例如选用电极材料ZnO:Al取代ITO，同时用纳米金层加以修饰，结果发现电池的并联电阻增加，串联电阻减小，寿命延长，同时η也提高了一个数量级。大量实验证实ZnO:Al层具有收集空穴和电子的双重能力，同时还可以充当减反射层的角色，因此有人在阴阳两极均采用ZnO:Al材料来实现改善器件性能的目的。ITO除了价格昂贵、危害环境外，我们也发现这种导电玻璃机械性能差，易破碎，不稳定，但如果选用单壁碳纳米管替代ITO作为有机光电池的空穴收集极，就可以克服上述缺陷，而且它还具有高电导率和透光率的优势。2006年，Lagemaat等人采用旋涂法制备碳纳米管阳极层，但最终得到的器件性能不是特别理想，因此需要进一步改进。Topinka等人采用丝网印刷技术在衬底上生长网状单壁碳纳米管，最终所得到的器件性能可与ITO/plastic所制备的相当，η可达2.5%。这种薄膜材料的优点在于表面平滑，柔韧性较好，具有较宽的光谱吸收范围，从紫外、可见延伸至远红外区都具有很高的透光性，还可实现大面积制造等。3.反型倒置电池中电极修饰

近年来人们开始构造新的电池结构即反型倒置模型，即将传统电池的阴阳电极材料进行对换，发现能量转换效率都有所提高，但同时也需要对电极进行修饰。例如制备结构为ITO/Cs2CO3/P3HT:PCBM/V2O5/Al或者Au的器件时，分别用10nm的V2O5修饰阳极Al，1nm的Cs2CO3修饰阴极ITO，结果显示太阳能电池的三个性能参数都有所提高，而在传统电池中短路电流JSC恰恰相反。2009年，Chen报道了另一种器件结构，使用金属氧化物材料MoO3修饰栅状Al阳极，同时在上层蒸镀一层ITO薄膜，结构如图2所示，这样可以减小器件的串联电阻，这种器件具有良好的柔韧性和稳定性，同时也克服了低功函数金属易氧化不稳定的缺陷。另外，我们还可以用双层MoO3修饰阳极，例如MoO3/Ag/MoO3电极，内层的MoO3层可提高空穴注入能力，而外层MoO3不仅降低了器件的串联电阻，而且提高了阳极的透过率，因此器件的性能得到了改善。在反型倒置电池中，作为阳极的材料往往反射率很高，不能对太阳光有效地吸收，为了解决这一问题，Meiss采用蒸镀覆盖层的办法来弥补阳极材料反射率高的缺陷，使用Alq3修饰Al/Ag电极，使得η提高了0.37%，这是因为Alq3层可以调节内部光场分布以满足对太阳光