柔性AZO/石墨烯/AZO叠层结构透明导电薄膜的制备及其有机太阳能电池应用研究

The introduction of graphene can effectively enhance the electrical conductivity, and improve the conducting stability of Al-doped zinc oxide (AZO) thin film upon bending. It is important to investigate the fabrication and optoelectronic properties of AZO/graphene/AZO sandwiched structure since it would remove technical barriers for the application of AZO thin film in flexible organic solar cell (FOSC).In this proposal, flexible thin film with AZO/graphene/AZO sandwiched structure is fabricated by using sputtering and chemical vapor deposition techniques. The relationship between preparation parameters, microscopic structure and conductivity, transmittance, conducting stability upon bending is studied. Emphasis is placed on the improvement mechanisms of electrical conductivity and bending conducting stability due to the introduction of graphene. The investigation of the device performance of FOSC based on AZO/graphene/AZO sandwiched thin film is carried out to study the effect of the presence of graphene on the power conversion efficiency of the FOSC, which reveals the application prospect of AZO/graphene/AZO sandwiched structure in FOSCs. The results provide theoretical and experimental bases for the understanding of preparation process, optoelectronic properties of the AZO/graphene/AZO sandwiched thin film, and the photovoltaic properties of the FOSCs based on the sandwiched thin film.

将石墨烯引入掺铝氧化锌（AZO）可有效提高薄膜的电导率，提升薄膜在多次弯曲之后导电性能的稳定性，解决薄膜应用于柔性有机太阳能电池（FOSC）的技术障碍，因此研究AZO/石墨烯/AZO叠层结构薄膜的制备及其光电性能具有重要学术意义。本项目采用组合型磁控溅射技术结合化学气相沉积工艺制备AZO/石墨烯/AZO柔性叠层结构薄膜，分析柔性AZO/石墨烯/AZO叠层薄膜制备工艺参数、微观结构与薄膜电阻率、透光率和弯曲性能之间的有机联系，重点研究石墨烯的引入对于提升薄膜电导率、弯曲性能稳定性的作用机理；进一步结合基于该叠层结构导电薄膜的FOSC光伏特性研究，分析叠层薄膜中石墨烯的引入对提升FOSC能量转换效率的作用机制，揭示AZO/石墨烯/AZO叠层薄膜在FOSC中的应用前景。研究结果将为掌握AZO/石墨烯/AZO叠层薄膜的制备工艺和光电特性，以及基于该体系的FOSC光伏性能提供理论和实验依据。

有机太阳能电池的重要优势是可以采用柔性电极材料制成柔性有机太阳能电池(FOSC)，FOSC可以裁成任意形状，其制备可以采用卷对卷方式生产，大幅降低生产成本。因此，FOSC具有柔软性、重量轻、高耐用性和低生产成本等优势，是一种极具应用潜力的便携性新能源技术。目前，FOSC主要采用ITO/PET作为电极，主要问题是ITO弯曲之后产生微裂，导致器件的效率衰减明显。本项目采用AZO/石墨烯/AZO叠层复合薄膜作为FOSC电极，实现电极与有机材料之间功函数有效匹配，解决器件弯曲性能稳定差的问题。. 本项目采用组合型磁控溅射技术结合化学气相沉积工艺制备AZO/石墨烯/AZO柔性叠层结构薄膜，分析柔性AZO/石墨烯/AZO叠层薄膜制备工艺参数、微观结构与薄膜电阻率、透光率和弯曲性能之间的有机联系，重点研究石墨烯的引入对于提升薄膜电导率、弯曲性能稳定性的作用机理；进一步结合基于该叠层结构导电薄膜的FOSC光伏特性研究，分析叠层薄膜中石墨烯的引入对提升FOSC能量转换效率的作用机制，揭示AZO/石墨烯/AZO叠层薄膜在FOSC中的应用前景。. 研究发现，随着AZO厚度的增大，薄膜的表面粗糙度明显降低，说明AZO的引入可以有效的平滑导电薄膜的表面，降低器件的漏电流，提高器件中电荷的传输，有利于柔性光伏器件光电转换效率的提升。随着AZO厚度的增加，石墨烯/AZO薄膜的平均光学透过率增大；但当AZO厚度超过50nm时，石墨烯/AZO薄膜的平均透过率却开始下降。在电学测试中，经过120次弯曲的薄膜其方块电阻为40Ω。从以上结果可以看出，石墨烯/AZO复合导电薄膜具有良好的机械弯曲性能稳定性。利用该薄膜制备了FOSC，以2cm的曲率半径弯折100次之后，器件的短路电流密度、填充因子等参数并没有发生明显的变化，说明器件具备优良的机械弯折性能。这些结果为掌握AZO/石墨烯/AZO叠层薄膜的制备工艺和光电特性，以及基于该体系的FOSC光伏性能提供了理论和实验依据。