基于超薄金属薄膜透明电极的高效大面积聚合物太阳能电池研究

Organic solar cells (OSCs) process the advantages of light-weight, flexibility, and low cost etc. However, the scale-up of OSCs is the pillar of organic photovoltaic technology for the commercialization and needs to be solved urgently. The efficiency of large-area devices is limited by the large sheet resistance of transparent conductive electrode. To solve this issue, ultrathin metal films (UTMF) with high conductivity are developed as transparent electrode. The effect of metal oxide (MO) and self-assembled monolayer (SAM) on the morphology as well as the electrical and optical properties of UTMF are studied. Based on microcavity effect and plasmonic effect (scattering process), high-performance large-area cells are fabricated by rational design of the UTMF/Ag cluster (C-UTMF), UTMF/Ag grid (G-UTMF), and conductance gradient UTMF/Ag grid (SG-UTMF) hybrid transparent electrode to improve the light utilization and charge carrier collection efficiency. Based on the thermal dissipation loss conforming to the Joule’s law and inhomogeneous distribution of charge carrier collection efficiency, the detailed energy loss mechanism of large-area devices is investigated. This work can provide a new idea and method for the preparation of high-performance large-area polymer solar cells and establish foundation for their commercialization.

有机太阳能电池具有轻便、柔性、成本低廉等优点。但要实现产业化，必须解决器件大面积化问题。目前透明导电电极电阻较大是限制大面积器件光电转换效率的主要因素。针对该问题，本项目拟采用导电性好的超薄金属薄膜(UTMF)作为透明电极。研究金属氧化物(MO)和自组装单分子层(SAM)对UTMF电极表面形貌以及光学和电学性质的影响；利用谐振微腔效应和等离子效应(或散射作用)合理设计UTMF/团簇Ag复合电极(C-UTMF)、UTMF/Ag网格复合电极(G-UTMF)以及导电性阶梯分布的G-UTMF复合电极(SG-UTMF)，提高光利用率和载流子收集效率，制备高性能大面积器件；基于焦耳热损耗及载流子收集效率分布不均匀性，揭示大面积器件性能降低的机理，探讨提高大面积器件性能的方法。该研究能为高性能大面积聚合物太阳能电池的制备提供一种新思路和新方法，为实现其产业化奠定基础。

有机太阳能电池（OSCs）由于具有柔韧性好、质地轻薄、制备工艺简单、绿色环保等优点，是非常有潜力的下一代光伏发电技术。目前，有机太阳能电池的能量转换效率（PCE）已突破17%，处于产业化的前期阶段，但器件性能会随着面积的增大而显著降低。透明电极的导电性是限制器件大面积化的主要因素，本项目采用导电性较好的超薄金属薄膜（UTMF）作为透明电极，通过改善UTMF电极的形貌、合理设计复合电极结构，制备了高导电性、高透过率的透明导电电极并成功应用于大面器件，实现了高效率的大面积聚合物太阳能电池，此外研究了器件面积对其光伏性能的影响，阐明了大面积器件的能量损失机理。. （1）针对Ag薄膜与基板之间的浸润性较差，导致薄膜不连续、表面粗糙的问题，采用ZnO作为籽晶层、MUA作为界面修饰层控制Ag薄膜的生长，增强了Ag薄膜在基板上的附着性，获得了高性能的UTMF透明电极，其方阻降低到~9 Ω/sq，在可见光范围的透过率达到~80%。. （2）基于高性能的异质结体系，研究了UTMF电极对大面积聚合物太阳能电池性能的影响，当使用UTMF代替ITO作为透明电极后，1 cm2器件的PCE提高了~10%。通过对器件进行光学模拟仿真，发现Ag-Ag电极之间形成的光学谐振腔有利于增强活性层的吸收，获得较大的光电流。. （3）为了进一步提高UTMF电极的导电性，引入Ag网格结构，研究了UTMF/Ag网格复合电极（G-UTMF） 对大面积器件性能的影响，通过设计复合电极相关参数及器件结构，基于G-UTMF复合电极的1 cm2器件获得了较好的JSC和FF，器件的PCE提高了~20%。. （4）通过逐步增加聚合物太阳能电池的面积，分析了器件面积对光伏性能、串联电阻及焦耳热损耗的影响，发现大面积器件性能的降低主要来自于透明导电电极的电阻产生的能量损失， 采用导电性高的UTMF电极及优化的电极结构，使得10 cm2器件的PCE提高到2倍多。. 本项目在执行期间共发表SCI 论文6篇、国内核心期刊论文1篇，申请国家发明专利5 项。