创新物理实验

创新物理实验有机太阳能电池的性能测试08物理学梁迟英08322040亠•实验目的：理解有机太阳能电池的器件结构和工作原理，通过对有机太阳能电池进行伏安特性测量，了解开路电压、短路电流、填充因子等对于电池性能的意义，并探究可能提高电池效率和寿命的方法。二•实验仪器：Oriel公司生产的太阳光模拟器（150W）,Keithley236SMU,OPV太阳能电池三•实验原理：有机太阳能电池的分类：从有机太阳能电池的结构进行分类。由单层Schottky器件开始，相继发展了双层异质结、本体异质结、分子D-A结，以及基于以上单元结构的级联器件等。除了要求活性材料有较高的太阳光谱吸收能力，有机光伏器件中激子解离是提高器件效率的最重要因素。与无机光伏器件吸收光后产生自由电子空穴对不同，有机材料在吸收光后，产生流动的激发态（即束缚电子空穴对）。由于激子中电子空穴对之间库仑作用较大，同时有机物介电常数较小,使激子解离需要的能量高于热能kT,因此，有机材料激子解离困难，不易形成自由载流子。不同的器件结构中，激子解离的机制有所不同。本实验采用的是双层异质结器件，下面阐述双层异质结器件的结构和工作原理。双层异质结的器件结构:

•太阳能电池的基本结构如下图所示：电极夹在PN结的两端，当电池工作时，电流从P极邙日极端）流出，从N极（阴极端）流入，为外电路提供电压。图一•本实验第一周采用的有机太阳能电池结构为:底座为一块3mm*3mm的玻片，底座之上的成分依次为：结构为ITO邙日极,光入射面和收集空穴）/CuPc（25nm,P极，给体材料，吸光产生激子和传导空穴）/C60（40nm,N极，受体材料，吸光产生激子和传导电子）/DCJTB（8nm,保护C60,与打入的Al形成传导电子的通道）/Al（lOOnm,阴极，反射光，使光再次入射有机层）。第二周在第一周的基础上在ITO和CuPc之间增加了MoO3，旨在提高ITO空穴的收集率。电池结构图如下图所示。

图二有机太阳能电池材料的化学性质：ITO：ITO是一种N型氧化物半导体-氧化铟锡，ITO薄膜即铟锡氧化物半导体透明导电膜，在本实验中作为电池的阳极。它通常有两个性能指标：电阻率和透光率。在氧化物导电膜中，以掺Sn的In2O3(ITO)膜的透过率最高和导电性能最好。CuPc：双层异质结的概念就是基于稠环芳香材料四羧基苝衍生物PV(又称为PTCBI)和酞菁铜(CuPC)的器件而提出的。CuPc是一种典型的有机小分子光电半导体材料。在可见光区不仅吸收范围宽，吸收系数大，而且具有极好的化学，热及光稳定性。CuPc作为稠环芳香化合物由于具有大环共轭平面结构,有活跃的n电子体系，半导体特性较强且易形成有序薄膜.其薄膜在医学，太阳能电池，光导体等方面具有广泛的应用前景。C60:是太阳能电池中被广泛应用的电子受体材料。C60分子内外表面有60个兀电6060子，组成三维兀电子共轭体系。由于其表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能故很容易吸收原子，通常作为电子的受体。光照情况下，光生电子从共轭高分子向富勒烯进行转移，从而产生电动势。DCJTB:保护C60，以免被后来沉积上来的Al破坏，并与打入的Al形成传导电子的通道。结构式：•A1：作为电池阴极，将光线反射回电池内，增大太阳能电池能量转换的外量子效应。有机太阳能电池工作原理：没有光照时太阳能电池相当于一个串并有电阻的二极管。有光照时电池的伏安特性与二极管有所不同。在双层光伏器件中，给体和受体有机材料分层排列于两个电极之间，形成平面型D-A界面.其中，阳极功函数要与给体HOMO能级匹配；阴极功函数要与受体LUMO能级匹配，这样有利于电荷收集。在双层异质结器件中，光子转换成电子有以下几个步骤：(1)材料吸收光子产生激子：当入射光的能量大于活性物质的能隙时(Eg),活性物质吸收光子而形成激子;(2)激子扩散至异质结处;(3)电荷分离:激子在异质结附近被分成了自由的空穴(在给体上)和自由的电子(在受体上)，它们是体系中主要的载流子，具有较长的寿命;⑷电荷传输以及电荷引出：分离出来的自由电荷，经过传输到达相应的电极，进而被收集和引出。具体到本实验，电池是靠CuPc和C60吸收特定波长的光产生激子，激子扩散到CuPc/C60界面，被该界面拆分成自由的电子和空穴，然后分别被对应的电极收集，产生电流。双层异质结器件中电荷分离的驱动力是给体和受体的最低空置轨道（LUMO）能级差，即给体和受体界面处电子势垒.在界面处，如果势垒较大（大于激子的结合能），激子的解离就较为有利：电子会转移到有较大电子亲和能的材料上。与单层器件相比，双层器件的最大优点是同时提供了电子和空穴传输的材料.当激子在D-A界面产生电荷转移后，电子在n型受体材料中传输，而空穴则在p型给体材料中传输.因此电荷分离效率较高，自由电荷重新复合的机会也降低.四•实验步骤：第一周：1.将制作好的有机太阳能电池连接在电源测量系统上2•先不打开太阳光模拟器（电池在荧光灯光谱范围下几乎不吸收光子），打开电源测试系统开始测量。计算机记录下没有太阳光光照下的I-V值和相关示数。3.打开太阳光模拟器，按照上述步骤得到I-V值和相关示数。第二周：1.将太阳能电池在有无太阳光照的条件下分别测得i-v值。2•将电源测试系统的电压值设定为0V,用太阳光照射太阳能电池十分钟，期间计算机记录下电池的短路电流随时间的变化。3•将电压设定值复原，重复步骤1,得到光照后的I-V值。五•实验测量及分析:第一周：Voltage(V)dcurrent(A)lcurrent(A)-1-5.11E-04-5.34E-07-0.95-5.05E-04-5.05E-07-0.9-4.94E-04-4.79E-07-0.85-4.85E-04-4.54E-07-0.8-4.77E-04-4.29E-07-0.75-4.70E-04-4.05E-07-0.7-4.60E-04-3.83E-07-0.65-4.53E-04-3.61E-07

-0.6-4.44E-04-3.38E-07-0.55-4.35E-04-3.20E-07-0.5-4.26E-04-2.99E-07-0.45-4.19E-04-2.80E-07-0.4-4.09E-04-2.60E-07-0.35-4.00E-04-2.42E-07-0.3-3.92E-04-2.25E-07-0.25-3.81E-04-2.07E-07-0.2-3.73E-04-1.88E-07-0.15-3.63E-04-1.66E-07-0.1-3.55E-04-1.43E-07-0.05-3.44E-04-1.13E-070-3.33E-04-6.72E-080.05-3.22E-043.35E-080.1-3.09E-042.90E-070.15-2.96E-049.30E-070.2-2.81E-042.46E-060.25-2.61E-045.93E-060.3-2.33E-041.35E-050.35-1.91E-042.94E-050.4-1.23E-046.14E-050.45-1.11E-051.22E-040.51.63E-042.33E-040.554.08E-044.13E-040.67.27E-046.74E-040.650.001110.001010.70.001540.001410.750.002010.001860.80.002510.002350.850.003040.002860.90.003590.003410.950.004160.0039710.004750.00455由以上数据可得到I-V特性曲线:

图三•假设太阳能电池的内部电路图如下图所示(整体作为一个太阳能电池，二极管代表太阳能电池中的PN结)，在AB间加电压，测量电流I值，得到上图所示的曲线。•为了得到串联电压和并联电压，需进行如下拟合和计算：由于在VvO,无光照条件下，太阳能电池具有二极管的功能，输出的截止电流接近于零，可将二极管部分视为断路。因此，图三中“dark”曲线在VvO的情况下遵循的直线方程应为V=I(R]+R2),将这部分曲线进行线性拟合即可得到r1+r2的值：

0.0--0.2-Equationy=a+b*xWeightNoWeighting0.0--0.2-Equationy=a+b*xWeightNoWeightingResidualSumofSquares0.00885Pearson'sr0.9977Adj.R-Square0.99516ValueStandardErrorIntercept0.206550.01198ASlope2.31928E636158.05748-0.4--0.6--0.8--1.0--0.0000006-0.0000005-0.0000004-0.0000003-0.0000002-0.0000001 0.0000000l/A图五可以看到拟合曲线的斜率为2319280土36158Q，由于没有光照时电流小，受PN结截止电流影响大，电流值波动较大，但是曲线的相关系数也大于0.99,接近于1.因此可以说明使用直线拟合的方法来求得斜率是恰当的。由此可大致推得：R]+R2=2319280Q。图三中“light”曲线在Vv0的情况下遵循的直线方程应为V=I]R]+IR2，将这部分曲线进行线性拟合即可得到R2的值：

-O.OOO50.OOO5O.OOO40.OOO4©.OOO4®.OOO40.OOO4O.OOO30.OOO3®.OOO3^.OOO32l/A图六可以看到拟合曲线的斜率为5674.3土37.8Q,直线拟合的相关系数比图五大0.004左右，接更加近于1.由此斜率可大致推得：R2=5674Q。由此可得到Ri=2313606Q。计算机在给出I-V值的同时，还计算出了开路电压(电流为零时的电压值),短路电流(电压为零时的电流值)，最大功率值，最大输入功率，电池效率TOC\o"1-5"\h\z(E=£丑餌)和填充因子(FF= )。P IVinput scoc在没有加太阳光照射时，得到如下值：Voc(V)=0.033358, Jsc=(mA/cm2):0.000746,Pmax(mw/cm2)=0.000019，Pinput(mw/cm2):100.000000Efficiency(%)=0.000019,Fillfactor=0.747798加太阳光照的情况下，得到如下值：Voc(V)=0.453194,Jsc(mA/cm2)=3.703778Pmax(mw/cm2)=0.775700,Pinput(mw/cm2)=100.000000

Efficiency(%)=0.775700,Fillfactor=0.462130第二周:V/v图七Dark：Voc(V)=0.046062,Jsc(mA/cm2)=0.000751,Pmax(mw/cm2):0.000003Pinput(mw/cm2)=100.000000,Efficiency(%)=0.000003,Fillfactor=0.092797Light：Voc(V)=0.445256,Jsc(mA/cm2)=5.860000,Pmax(mw/cm2)=0.819278Pinput(mw/cm2)=100.000000,Efficiency(%)=0.819278,Fillfactor=0.313995•照射电池后，电池的伏安特性如图八所示:

V/v图八Dark:Voc(V)=0.041955Jsc(mA/cm2)=0.00088,Pmax(mw/cm2)=0.000008Pinput(:mw/cm2)=lOO.OOOOO0Efficiency(%)=0.0000,8Fillfactor=0.228536LightVoc(V)=0.446082Jsc(mA/cm2)=3.15122，Pmax(mw/cm2)=0.209700Pinput(:mw/cm2)=lOO.OOOOO0Efficiency(%)=0.2097,0Fillfactor=0.149178从图七图八中的曲线形状可知，两“dark”曲线形状基本相同，说明在光照前后太阳能电池作为二极管的性质没有明显改变。但是，再观察两“light”曲线，发现图八中的“light”曲线在第三第四象限都有较大变动。其中y轴下方的短路电流明显减小，而第四象限曲线的』图七的正变为图八的负，说明电池V2的最大功率减小。从数据上来看，有太阳光光照时，太阳能电池的效率从10分钟前的0.82降到0.21。在输入功率一定的情况下，可发现，有光照时最大功率大大降低，电池的填充因子也大幅度下降。这说明太阳能电池的优良性可用电池的效率，最大功率和填充因子来衡量。填充因子越小，电池质量越差；效率越低，电池应用性越差；最大功率越小，电池用途越窄。电池寿命可通过太阳光照射的十分钟内电池短路电流随时间的变化来确定。•电池短路电流曲线：图九由图九可知，在太阳光照射的情况下电池短路电流的绝对值随时间递减。而该曲线斜率的变化速度可能会因太阳光光强的不同而不同。由于电池寿命可由该曲线算出，所以太阳能电池处于不同工作环境下寿命可能会不同。由该图可计算，电池的寿命大约在电流达到最大值一半的时候所对应的时间。最大的短路电流值为4.9413E-4mA/cm2,—半的值为2.47065E-4mA/cm2,对应的时间t（s）为286.946s。由于电池寿命受PN结的结合程度和PN结材料的纯度的影响，而填充因子正是衡量材料纯度的一个指标，根据FF的计算公式，从图七到图八，Pmax明显下