顾锦华,龙 浩,王皓宁,陈首部,钟志有

(1.中南民族大学 实验教学与实验室管理中心, 湖北 武汉 430074;2.中南民族大学 智能无线通信湖北省重点实验室，湖北 武汉 430074；3.中南民族大学 电子信息工程学院, 湖北 武汉 430074)

1 引言

有机太阳能电池(OSC)具有原材料丰富、成本低、质量轻、半透明、有柔性等特点[1～4]，可以通过喷墨、刮涂、卷对卷等便捷工艺制造大面积的器件，它将在光伏建筑一体化、可穿戴电子设备等方面具有广阔的应用前景，是新一代光伏技术的一个重要发展方向[5～7]。众所周知，OSC的典型结构为“三明治”式夹心结构，即将具有光敏性质的有机薄膜夹于金属阴极与透明阳极之间，通过光生伏特效应产生电压、形成电流，从而实现光电转换[8～10]。由于OSC由多层薄膜组成，其器件性能与功能层厚度密切相关，因此各个功能层之间的厚度匹配对于OSC器件结构优化及其光伏性能改善具有重要意义[11～13]。为此，本文基于OSC光吸收模型，利用MATLAB进行模拟计算，以研究功能层厚度对OSC内部光场强分布和光敏层内部场强的影响。

2 方法

选取器件结构为“Al/LiF/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS/ITO”的OSC作为研究对象，其中金属Al层为OSC阴极，透明导电ITO薄膜为OSC阳极，它们的厚度均为100 nm；其他各功能层及其厚度的研究范围分别如下：①LiF为阴极修饰层，厚度范围为0～9 nm；②P3HT:PCBM为光敏层，它是电子给体聚(3-己基噻吩)(P3HT)和电子受体6,6-苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)的共混薄膜，厚度范围为40～80 nm；③PEDOT:PSS为阳极修饰层，它是磺化聚苯乙烯(PSS)掺杂聚3,4-乙烯基二氧噻吩(PEDOT)的聚合物薄膜，厚度范围为0～90 nm。

当太阳光垂直于透明阳极入射、在多层薄膜结构的OSC器件中传播时，根据转移矩阵方法并考虑光学干涉效应[14～16]，在第j层中任意点x处的场强可以表示为：

(1)

3 结果与讨论

图1为阴极修饰层厚度对OSC内部场强分布的影响，从图中看出，插入阴极修饰层后，OSC内部场强分布受到了一定的影响，但在研究范围之内，各功能层内部的场强变化较小。图1中给出了OSC光敏层内部场强随阴极修饰层厚度变化的曲线，由图1可知，OSC光敏层内部的场强是随阴极修饰层厚度增加而单调增大的，当阴极修饰层厚度为9 nm时，OSC光敏层内部的场强比没有阴极修饰层时增加了16.63%。

图1 阴极修饰层厚度对场强分布的影响

图2为光敏层厚度对OSC内部场强分布的影响，由图2可见，当光敏层厚度从40 nm增加到80 nm时，OSC中各功能层内部的场强数值变化很大，说明了光敏层厚度对OSC内部场强分布具有明显的影响。图2中的插图给出了OSC光敏层内部场强随光敏层厚度变化的曲线，可以看出，随着光敏层厚度的增加，OSC光敏层内部的场强表现为先增大后减小的变化趋势，当光敏层厚度为50 nm时，OSC光敏层内部的场强达到最大值。

图2 光敏层厚度对场强分布的影响

图3为阳极修饰层厚度对OSC内部场强分布的影响，阳极修饰层厚度变化时，OSC中各功能层内部的场强均有不同程度的改变，这说明阳极修饰层厚度对OSC内部场强分布具有比较明显的影响。图3中的插图给出了OSC光敏层内部场强随阳极修饰层厚度变化的曲线，可以看出，光敏层厚度从0增加到90 nm时，OSC光敏层内部场强的变化趋势如下：首先是先减小后增大、然后是先增大后减小。当阳极修饰层厚度为20 nm时，OSC光敏层内部场强最小；而当阳极修饰层厚度为80 nm时，OSC光敏层内部场强则最大，可见，阳极修饰层的最佳厚度为80 nm。

综上所述，优化的OSC器件结构为Al(100 nm)/LiF(9 nm)/P3HT:PCBM(50 nm)/ PEDOT:PSS (80 nm)/ ITO(100 nm)。

图3 阳极修饰层厚度对场强分布的影响

4 结论

本文以多层薄膜结构的OSC作为研究对象，基于转移矩阵理论和OSC光吸收模型，利用MATLAB平台模拟研究了阴极修饰层、光敏层和阳极修饰层的厚度与OSC内部场强分布和光敏层内部场强之间的关系。研究表明，功能层的厚度对它们具有不同程度的影响，薄膜厚度合适的阴极/阳极修饰层可以增强OSC光敏层内部的场强，提高OSC器件的光伏性能。所以，功能层的厚度选择及其优化对于研制高性能OSC器件具有重要意义。