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

【作者】 陈晓红； 朱峰； 陆浙； 蒋紫曜； 黄素梅； 孙卓；

【机构】 华东师范大学物理系纳光电集成与先进装备教育部工程研究；

【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ZnO层电子传输层能有效地提高ZnO层的电子传输能力和降低在ZnO/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ZnO层电子传输层相比于单步溅射ZnO层,其ZnO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ZnO薄膜具有抑止缺陷渗透到整个ZnO层的功能。更多还原