给体-受体型有机太阳电池光敏层的优化设计

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1、第.&卷第.期%$$"年.月物理学报PQ4*.&，OQ*.，R2E，%$$"#$$$)+%’$H%$$"H.（&$.）H%(&()$.IJ/I@KLMNJIMNONJI!%$$"JS37*@SET*MQ>*!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!给体!受体型有机太阳电池光敏层的优化设计!任驹郑建邦赵建林（西北工业大学理学院光信息技术实验室，西安"#$$"%）（%$$&年’月#(日收到；%$$&年#$月#’日收到修改稿）针对有机给体)受体型异质结薄膜太阳电池，基于薄膜中的光学干涉效应和激子扩散理论建

2、立模型，定量分析了有机层厚度对太阳电池性能的影响，通过限制有机光敏层厚度来控制由光学干涉效应引起的局部光子密度（光强度）的分布，进而优化有机层的吸收效率和激子扩散效率，以此达到提高器件光伏效率的目的*并通过实验进行了验证*关键词：有机太阳电池，给体)受体，优化设计，激子"#$$："%+$，"%($,，"+-$,，"(&./#?引言%?理论在有机光伏效应的四个步骤（光吸收产生激子，%&’&量子效率分析激子扩散，激子分离形成载流子，载流子传输和收太阳电池的能量转换效率定义为电池输出!@集）中，效率的损失主要由光吸收和激子扩散造的最大电功率与输入的光辐射功率之比*通过量子［#］成*介质的

3、厚度对光吸收和激子扩散都有显著的的观点对效率进行分析，用光子能量和光子密度代影响：随着介质厚度的增加，光吸收率可能会得到提替波长和辐射通量，用电路中流动的电子能量和电高，从而激子产率提高，但由于激子扩散长度有限，子流密度代替电压和电流密度，可将影响的因素!@绝大多数离界面较远的激子在到达界面之前便猝灭概括为三个部分：#）输入光子密度按能量（频率）的了*因此，在理论上对器件厚度做优化设计是获得高分布（图#（2））；%）外量子效率（6AB65724C927B91性能有机光伏电池的一个重要途径［#，%］6DD3>367>E，0F0），定义为入射到太阳电池上的光子在*外电路中产生的流动电子

4、数的概率（图#（G））；+）输出电子的密度按能量的分布（图（#>））*图#影响太阳电池能量转换效率的因素（2）输入特性（辐射光源光谱）；（G）外量子效率；（>）输出特性（负载电流)电压谱）!0)1234：56789:1234*7;<9*6=9*>76期任驹等：给体$受体型有机太阳电池光敏层的优化设计/=7>外量子效率!!"!是光子对电流贡献的概率#在—4!(表示在邻近的%层和(层中沿正向和反向传播给体$受体（%&）型有机太阳电池中，其外量子效率的光电场振幅#沿表面法线方向传播的平面波，反射!!"!是’个步骤的效率之积：光吸收产生激子效率和透射系数分别为)*（—$3—$）（5—$1—

5、$）和**%(%(%(%(!&；激子扩散到%&界面效率!!%；%&界面的电荷/—$（5$—1$—）［’］，在%层和(层之间的界面处，光传%%(转移导致激子分裂效率!()；两电极收集载流子效播可由分层媒质的界面矩阵+描述［0，6，7］：%(率，即!((——11!%!(!!"!*!&!!%!()!((，（+）*+8[—3]%([—3]!(),+--.，在短路状态下，载流子收集效率!((,!%!(［+］—+--.，因此，（+）式可以简化为!1++)%((!"!!&!"，（/）*[]8[—]，（0）!!!*%()%(+!3(而要具体描述光吸收和激子扩散，首先需要确定器光波通过%层传播引起的

6、吸收和相移，可由层矩阵件中光场的分布和激子运动规律#［0，6，7］,%描述：!"!"薄膜中的光场分布3（2/"5"）—$’9%%-,%*[（2/"5"）—$’]#（’）当一束频率范围有限的光入射到一厚度有限的-9%%平面介质时，在介质内部，会产生由于前后两界面反这样，介于两个最外层（%*-，%*&1+）之间的多层射而形成的光波，这些光波与入射波发生叠加#若介膜系对光电场造成的影响可以由一个矩阵-表示：质的厚度不是远大于光波的波列长度时，介质中就——11!-!&1+会发生光波干涉效应，形成由入射波和各次反射波[—]*-[—]，（6）33的振幅相叠加的光场分布#!-!&1+--&+++

7、/-*[]*("+（$3+）$,$)·+&（&1+）#（7）-/+-//$*+由（0）式，膜系的反射和透射系数分别为)*-/+5-++3+和**-++#为了确定膜系中光电场的分布，需要计算任意%层内的光电场，在垂直入射的条件下，%层膜中某［6］一点#处的正向和反向光电场振幅分别为——1*-%9:;｛［3/"2$（%#3#%）］5"｝1!（%#）*—·!-，（<）+3)%-)%，.1+9:［;3’"2$%’%）5"］——3)%，.1+*-%9:;｛［/"2$（%#3#%