用场发射显微镜研究有机太阳能电池中异质结电学特性

有机太阳能电池是一种利用有机半导体材料吸收太阳光产生电能的新型器件，其中p型/n型半导体之间的异质结被认为是提高器件光电转换效率的关键因素，但是关于异质结对有机太阳能电池中载流子输运的影响目前还有争议。本课题计划研究几种典型有机太阳能电池器件中异质结（如CuPc/C60，ZnPc/C60，P3HT/C60）的电学特性，分析与无机半导体异质结不同的有机半导体异质结的特点。我们计划制作有机半导体异质结场发射样品，利用场发射电流与样品表面逸出功的关系，使用场发射显微镜测量不同异质结样品的场发射特性，分析异质结界面附近材料能带结构的变化，研究接触势垒高度、宽度与材料性质、外加偏压的关系，揭示有机半导体异质结所对应的器件特性，阐明有机半导体异质结与有机太阳能电池器件整流特性的关系。

与传统无机半导体太阳能电池相比，小分子有机太阳能电池是一种典型的激子型太阳能电池，一般认为其内部p型半导体和n型半导体之间的异质结界面的主要作用是分离光生激子产生载流子。对于这个界面是否同时产生内建电场的问题，目前并没有得到深入研究，多数文献假设无内建电场，认为界面附近载流子主要靠扩散机制输运。有机半导体异质结是许多有机电子器件的核心组成部分，内建电场存在与否对界面附近载流子输运机制和器件性能的影响很大，利用合适的内建电场可以改善异质结界面附近的载流子输运进而优化器件性能。为了研究有机半导体异质结内部的内建电场问题，我们提出了一种新方法来测量异质结界面附近的能带弯曲。我们使用一套热蒸发-场发射专用设备，在超高真空中原位制备并测量一系列不同顶层膜厚的有机异质结针尖样品的场发射特性，利用场发射电流对样品表面功函数的敏感依赖关系来探测功函数与异质结中顶层膜厚的关系。我们以一种常见的有机半导体异质结ZnPc/C60为研究对象，用场发射方法研究了在ZnPc基底上不同厚度C60薄膜和在C60基底上不同厚度ZnPc薄膜的场发射特性的变化。我们发现在ZnPc基底上沉积C60薄膜时，样品顶端功函数随着C60薄膜的厚度增加而变大，与此相反，当在C60基底上沉积ZnPc薄膜时，样品顶端功函数随着C60薄膜的厚度增加而减小。根据这个实验结果，我们推测ZnPc/C60异质结中电子由ZnPc转移至C60一侧，异质结界面附近存在着能带弯曲和内建电场。目前我们正在改进实验方法，希望可以得到更精确的能带弯曲变化值。这个实验结果与文献中用UPS方法测量ZnPc/C60异质结能带变化的结果一致，说明通过场发射实验测量能带弯曲的思路是完全可行的。这部分工作在国际上并未见到相关报导，具有创新性。. 我们还发现用波长为254纳米的紫外光照射是一种有效的改善PEDOT:PSS薄膜电学性质的方法。在紫外光照射一段时间后，我们发现PEDOT:PSS薄膜的电导率提高了四个数量级，比文献报导的最高值还要好。我们分析了PEDOT:PSS薄膜电导率提高的机理，认为紫外光照射导致的PSS光交联增加了PEDOT颗粒的连接，减少了载流子输运的障碍。我们还用场发射方法研究了在紫外光处理时周围环境对PEDOT:PSS薄膜功函数变化的影响。