ITO电极方阻对有机太阳能电池性能的影响

第３３卷第１期　南京邮电大学学报（自然科学版）　２０１３年２月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｏｓｔｓ　ａｎｄ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ）　Ｖ０１．３３　Ｎｏ．１　

Ｆｅｂ．２０１３　

ＩＴＯ电极方阻对有机太阳能电池性能的影响　赵新彦　，李志刚　，密保秀　，高志强　，黄　维　，　／１．南京邮电大学江苏省平板显示与固体照明研究中心材料科学与工程学院，江苏南京２１００２３　ｌ　２．南京邮电大学有机电子与信息显示国家重点实验室培育基地信息材料与纳米技术研究院，江苏南京　

摘要：研究了氧化锢锡（ＩＴＯ）电极方阻对有机太阳能电池性能的影响。通过分析采用不同方阻的ＩＴＯ作为阳极　的有机太阳能电池电阻特性和光学特性，探讨了影响器件性能的原因。ＩＴＯ电极方阻影响器件的串联电阻和并联　电阻，从而对器件的短路电流和功率转换效率有显著影响。不同ＩＴＯ玻璃的透过率以及电磁场在电池器件内部的　分布表明，ＩＴＯ玻璃的光学特性差异不大，对器件性能影响较小。器件效率的差别主要是由于不同ＩＴＯ方阻对器件　电阻特性的影响导致。　关键词：ＩＴＯ电极；方阻；有机太阳能电池；电阻特性；电磁场分布　中图分类号：ＴＭ９１４．４　２　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７３－５４３９（２０１３）Ｏ１－００９１－０５　

Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ＩＴＯ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　Ｓｑｕａｒｅ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｎ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｓｏｌａｒ　Ｃｅｌｌｓ　

ＺＨＡｏ　Ｘｉｎ．ｙａｎ　，ＬＩ　Ｚｈｉ－ｇａｎｇ　，ＭＩ　Ｂａｏ－ｘｉｕ　，　ＧＡＯ　Ｚｌｌｉ－ｑｉａｎｇ　．ＨＵＡＮＧ　Ｗｅｉ　厂１．Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｆｏｒ　Ｆｌａｔ—Ｐａｎｅｌ　Ｄｉｓｐｌａｙｓ＆Ｓｏｌｉｄ—Ｓｔａｔｅ　Ｉ』ｉｇｈｔｉｎｇ，Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＇、　１　Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｏｓｔｓ　ａｎｄ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００２３，Ｃｈｉｎａ　ｌ　１　・Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｆｏｒ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉ０ｎ　Ｄｉｓｐｌａｙｓ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　ｌ　Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｏｓｔｓ　ａｎｄ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ。Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００２３．Ｃｈｉｎａ　／　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｆｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｔｉｎ　Ｏｘｉｄｅｓ）ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　ｓｑｕａｒｅ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ　ｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ　ｕｓｉｎｇ　ＩＴＯ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｑｕａｒｅ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｓ，ｃａｕｓｅｓ　ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ－　ｔｉｃｓ　ａｒｅ　ｅｘｐｌｏｒｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｅｒｉｅｓ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ａｎｄ　ｓｈｕｎｔ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｖｉｃｅ，ＩＴＯ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　ｓｑｕａｒｅ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｈａｓ　ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｓｈｏｒｔ・・ｃｉｒｃｕｉｔｅｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｅｆｆｉ－－　ｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ　ｏｆ　ＩＴＯ　ｇｌａｓｓ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｉｎｓｉｄｅ　ｔｈｅ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ　ｒｅｖｅａｌ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ＩＴＯ　ｇｌａｓｓ　ｄｉｆｆｅｒｓ　ｓｌｉｇｈｔｌｙ　ａｎｄ　ｈａｓ　ｉｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｉｎｆｌｕ—　ｅｎｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｍａｉｎｌｙ　ｃｏｍｅｓ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ＩＴＯ　ｓｑｕａｒｅ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｒｅｓｉｓｔｅｎｃｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＩＴＯ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ；ｓｑｕａｒｅ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｏｒｇａｎｉｃ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ；ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇ—　ｎｅｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｄｉｓｔｒｉｂＵｔｉｏｎ　

收稿日期：２０１２－０３－０４　基金项目：国家重点基础研究发展计￣ｌ（９７３计划）（２００９ＣＢ９３０６００）、国家自然科￣（２０９７４０４６，６１０７７０２１，６１０７６０１６）、国家教育部新世纪　优秀人才基金（ＮＣＥＴ－０８－０６９７）资助项目　通讯作者：黄维电话：（０２５）８５８６６００８　Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｅｉ．ｈｕａｎｇ＠ｎｊｕｐｔ．ｅｄｕ．ｃｎ　南京邮电大学学报（自然科学版）　２０１３年　０　引　言　

基于有机材料制备的太阳能电池器件具有柔　性、轻便、低成本的优势，近年来受到广泛关注并得　到突飞猛进的发展。器件效率８％左右的有机太阳　能电池已有报道¨　Ｊ，有望在不远的将来达到并突　破可商业生产的效率基线１０％　。氧化铟锡（ｉｎｄｉ—　ｕｍ　ｔｉｎ　ｏｘｉｄｅｓ，ＩＴＯ）是当前制备有机太阳能电池最常　用的电极材料，其性质对器件性能有显著影响。　ＩＴＯ表面处理对ＩＴＯ特性以及有机光伏器件性能的　影响已得到了广泛研究　５　ｊ。等离子体处理和紫外　臭氧处理可以改善ＩＴＯ表面的亲水性，提高ＩＴＯ的　功函数，进而提高有机光伏器件的效率　“ｊ。理想　情况下，有机太阳能电池器件应该具有较小的串联　电阻和较高的并联电阻，以保证较高的电流密度和　较少的电流泄漏¨　“　。ＩＴＯ电极的电阻会影响电　极与有机功能层之间的接触，进而影响器件的串联　电阻　。因此，有必要对ＩＴＯ电极方阻对有机太　阳能电池器件性能的影响进行详细的研究。本文基　于ＩＴＯ／ＣｕＰｃ（酞菁铜）／Ｃ６０／ＴＰＢｉ（１，３，５－ｔｒｉｓ（２一Ｎ—　ｐｈｅｎｙｌｂｅｎｚｉｍｉｄａｚｏｌｙ１）ｂｅｎｚｅｎｅ）／Ａ１结构的有机太阳　能电池器件，探讨了ＩＴＯ电极方阻对器件电流．电压　特性和ＩＰＣＥ特性的影响，从并联电阻和串联电阻，　以及器件的光学特性等方面分析了ＩＴＯ电极对器件　性能的影响。　１　实　验　所用器件结构为ＩＴＯ／ＣｕＰｃ（２０　ｎｍ）／Ｃ∞（４０　ｎｍ）／ＴＰＢｉ（８　ｎｍ）／Ａ１（１００　ｎｍ）。镀有ＩＴＯ的玻璃　依次用中性洗涤剂、去离子水、丙酮和异丙醇超声洗　涤，每个过程１５分钟。洗净的玻璃片放在烘箱中　１２０℃烘烤２４小时，去除表面水分。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ层　旋涂在ＩＴＯ表面，作为空穴传输层和阳极缓冲层。　ＣｕＰｃ、Ｃ∞、ＴＰＢｉ和金属铝在真空度为８×１０　Ｐａ的　真空腔中进行热蒸镀。ＴＰＢｉ层在Ｃ∞和金属阴极之　间作为激子阻挡层。真空蒸镀膜层的厚度用石英晶　振片进行监测。电池器件的面积为０．１　ｃｍ　。　电流一电压（Ｊ．Ｖ）特性用Ｋｅｉｔｈｌｅｙ　２　４００电流电　压源进行测试，光源为ＡＭ　１．５（１００　ｍＷ／ｃｍ　）的太　阳光模拟器。采用三种不同方阻和不同厚度的ＩＴＯ　作为阳极，分别为：１０　口（１５０　ｎｍ），２０　ｆｔ／口（１２０　ｎｍ）和１５０　口（３０　ｎｍ）。　２器件性能　采用三种不同ＩＴＯ作为阳极的太阳能电池电　流一电压（　）特性如图１所示。相应的短路电流　（．，　）、开路电压（Ｖｏ　）、填充因子（ＦＦ）以及功率转　换效率（ｒ／。）在表１中给出。由器件的电流．电压特　性可以看到：随着ＩＴＯ电极方阻减小，器件的Ｊｓｃ有　所增加；ＩＴＯ电极为１０　Ｑ／口和２０　口的器件　比１５０　口ＩＴＯ的器件稍有增加（０．３８　Ｖ至　０．４　Ｖ），而１０　口和２０　口的器件　相等；　１０　口和１５０　口的器件ＦＦ接近（５６％和　５５％），２０　口的器件ＦＦ最小（５２％）。采用不同　ＩＴＯ阳极的电池　和ＦＦ区别不大，这表明不同方　阻的ＩＴＯ对　和ＦＦ的影响较小。从器件总的功　率转换效率来看，卵　随ＩＴＯ电极电阻减小而增大，　１５０　口的器件卵。最小（０．６８％），１０　口的器件　最大（０．７８％），比较而言，减小ＩＴＯ电阻对器件　＇７　的提高可达１５％左右。可见不同的ＩＴＯ电极对　有机太阳能电池器件的性能有显著影响。由器件的　电流－电压特性可知，这种提高主要源自于器件短路　电流的提高。　

Ｖｏｈａｇｅ／Ｖ　图１　电流・电压（Ｊ・Ｖ）特性曲线　

３电阻特性分析　有机太阳能电池应具有较高的并联电阻和较低　的串联电阻。并联电阻和串联电阻与有机太阳能电　池的短路电流和填充因子密切相关　。为研究不　同方阻的ＩＴＯ电极对器件并联电阻和串联电阻的影　响，我们通过电流一电压曲线计算并联电阻和串联　电阻　：　

氏［ｅＸｐ（　一　）＋　】ｃ　

其中，Ｊ。为暗电流，Ｊｓｃ为短路电流，Ａ为电池器件面　第１期　赵新彦等：１ＴＯ电极方阻对有机太阳能电池性能的影响　积，ｋ　为波尔兹曼常数，　为开氏温度，ｑ为电荷电　量，ｎ。为理想因子。　和　分别为串联电阻和并　联电阻，计算结果如表１所示。　表１器件性能：短路电流（　）、开路电压（　）、　填充因子（ＦＦ）以及功率转换效率（　），以及　电池器件的串联电阻（Ｒ　ｌ和并联电阻（Ｒ　ｌ　从表１中可知随着ＩＴＯ方阻的减小，　减小而　Ｒ　有所增加。Ｒ　高，说明器件漏电流比较小；Ｒ　低，说明电极与有机层之间形成欧姆接触，界面问的　接触电阻较小¨　引。因此，较小的ＩＴＯ电极方阻有　可能导致在有机太阳能电池器件的电极界面处形成　良好的欧姆接触，从而减小载流子收集的势垒，并减　小电极界面处的漏电流。器件串联电阻和并联电阻　的变化规律与短路电流和功率转换效率的变化规律　符合，这表明ＩＴＯ电极的方阻影响器件的串联电阻　和并联电阻，从而对器件的短路电流和功率转换效　率有显著影响。　４光学特性分析　有机太阳能电池器件的功率转换效率除了和电　池器件中激子解离、载流子传输以及电极对载流子　的收集效率等电学特性有关外，还和器件的光学性　能有关，包括入射光子透过玻璃基底和ＩＴＯ膜层的　透过率，以及由于薄膜干涉在器件内部形成的电磁　场分布。为进一步探讨影响不同方阻ＩＴＯ的电池器　件性能的原因，我们测量了有机太阳能电池器件入　射光量子转换效率光谱分布（ＩＰＣＥ），结果如图２所　示。为分析光学特性对器件ＩＰＣＥ的影响，我们测　量了三种不同方阻的ＩＴＯ玻璃的透过率，并通过计　算模拟出了电磁场在器件内部的分布曲线。　ＩＰＣＥ是指不同波长下，转换为光生载流子数量　和入射到器件上该波长的光子数量之比。由图２可　以看到，对于ＣｕＰｃ／Ｃ砷为活性层的有机太阳能电　池，有三个明显的光吸收峰，分别在４６３　ａｍ、６２１　ａｍ　和７０５　ｎｍ处。ＩＴＯ电极方阻为１５０　Ｄ．／口的器件　ＩＰＣＥ值在４６３　ｎｍ波段较大，但随着波长增加，其　ＩＰＣＥ值与２０　１２／口的器件接近。ＩＴＯ电极方阻为　１０　ｌ－ｂ／口的器件在４６３　ａｍ波段处ＩＰＣＥ的值较小，而　在较长波长处（６２１　ｎｍ和７０５　ｎｍ）其ＩＰＣＥ值明显　大于２０　口和１５０　Ｏ，／口的器件。　２５