氢等离子体处理ZnO提高聚合物太阳电池的转换效率

　　聚合物体异质结太阳电池有诸多优点，如成本低、可卷对卷加工、机械韧性好、质量轻等，具有广泛的应用前景。但目前聚合物太阳电池的效率仍然不高，阻碍了其产业化应用。中科院半导体研究所一个小组证实，用氢等离子体处理ZnO电子传输层是提高聚合物太阳电池的有效途径。相关结果发表在2015年出版的《Journal of Materials Chemistry A》上。 

　　ZnO由于具有电子迁移率高、光透过性好、功函数低等优势，是聚合物太阳电池中常用的电子传输层材料。ZnO的功函数约为3.99-4.5 eV，能够与聚合物太阳能电池的电子受体及阴极之间形成良好的能级匹配。上述小组以前的研究工作发现用氢等离子体处理ZnO薄膜后，薄膜的载流子浓度和迁移率增加，电导率提高，可见光透过率提高，功函数降低。如果将其应用到聚合物太阳电池的ZnO电子传输层中，有利于提高电池的光电转换效率。该小组首次将氢等离子体处理ZnO应用到聚合物太阳电池中，系统调控氢等离子体处理的条件，发现太阳电池的开路电压明显提高，获得目前报道的该体系电池开路电压的最高值0.670 V，电池的转换效率相对提高了27%。 

　　图1 （左）聚合物太阳电池结构示意图；（右）北京同步辐射装置4B9B光电子能谱实验站测试的紫外光电子能谱。结果显示氢等离子体处理后，ZnO薄膜的功函数由4.13 eV降低为3.98 eV。 

　　同步辐射光源帮助该小组揭开了聚合物太阳电池转换效率提高的原因。在北京同步辐射装置4B9B-光电子能谱实验站测试的紫外光电子能谱表明，氢等离子体处理后，UPS谱线的二次电子截止边向高束缚能端移动，说明ZnO薄膜的功函数降低了。ZnO薄膜的功函数可由关系式Φ = hν -（E_Cutoff - E_Feimi）计算得到，其中hν为激发光源能量30 eV，E_Feimi为费米能级，E_Cutoff为二次电子截止边，位置由截止边拟合的直线与基线的交点得到。经计算，ZnO参考样品的功函数为Φ = 4.13 eV，氢等离子体处理样品的功函数为Φ = 3.98 eV，降低了0.15 eV。这是因为ZnO经过氢等离子体处理后，由于表面的氢终止，电子亲和势降低，从而功函数降低。在聚合物太阳能电池中，电池的开路电压与电子给体的LUMO能级和电子受体的HOMO能级差成线性关系，受电极功函数的影响，而界面层可以修饰阴极的功函数。因此氢等离子体处理后，ZnO的功函数降低，聚合物太阳电池的开路电压从0.612 V增加到0.670 V，转换效率从3.03%提高到3.84%。

　　发表文章： 

　　Hong Li Gao, Xing Wang Zhang,* Jun Hua Meng, Zhi Gang Yin, Liu Qi Zhang, Jin Liang Wu and Xin Liu, Enhanced efficiency in polymer solar cells via hydrogen plasma treatment of ZnO electron transport layers, Journal of Materials Chemistry A 3, 3719-3725 (2015).