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硅基杂化太阳能电池结合了硅材料导电性好、稳定性高和有机材料低成本、易制备等优点,其中聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)是硅基杂化电池中最常用的有机材料。目前本实验室制备的硅/PEDOT:PSS杂化电池效率已达14.1%。硅/PEDOT:PSS界面电荷传输是制约器件效率的关键问题,实验中常对硅表面进行钝化处理,其中甲基化和氧化是最为常见的两种钝化方法,然而目前缺乏界面钝化机理的深入研究。采用第一性原理计算,可以从原子层面研究硅层与PEDOT:PSS层之间的电荷传输机制,比较不同钝化方法对硅基底以及界面电荷传输的影响,确定界面电荷传输的驱动力、类型、路径以及快慢等,从而为实验提供理论依据和创新思路。本文主要研究内容如下:(1)首先搭建了合理的计算模型。硅的上表面选择实验中最为常见的三种硅表面处理方式:p(2×2)表面重构、甲基钝化与氧钝化,下表面硅原子进行加氢处理,并以此搭建硅基底模型和硅/PEDOT:PSS模型。使用Forcite分子动力学确定PEDOT:PSS与硅的接触晶面,并简化PEDOT:PSS晶体模型,使用第一性原理计算软件CASTEP对三种表面硅基底以及硅/PEDOT:PSS体系的电学性质进行计算。(2)从四个方面分析了钝化方式对硅基底产生的影响,包括带隙深能级、表面电荷分布、载流子有效质量以及表面功函数:首先表面重构会引入缺陷深能级,增加界面处载流子复合;采取钝化后硅表面悬挂键减少,可消除重构带来的深能级,减少载流子复合。其次根据钝化后硅基底的表面电荷分布变化,推测硅基底与有机层的电荷传输可能需要通过电荷隧穿作用实现。接着采用二次差分法计算了硅基底不同方向上的载流子有效质量,结果表明钝化可减小载流子有效质量,从而提高界面处载流子传输速率。最后使用加入表面偶极修正的方法计算了三种硅基底的表面功函数,其中甲基钝化表面的功函数最小,这意味着电子脱出硅块体的能量势垒最低,有利于电荷传输。因此对硅基底采用合适的钝化方式是必要的,且甲基钝化方式优于氧钝化方式。(3)从三个方面分析了钝化方式对硅/PEDOT:PSS界面电荷传输造成的影响,包括界面电荷传输方向和驱动力、电荷传输类型和路径以及电荷传输快慢:首先计算了电荷转移数、电荷转移分布、电势曲线和能级排列等,其中甲基钝化体系电荷转移数较多,且会形成从硅基底指向PEDOT:PSS的内电场,其表面偶极矩产生的能级弯曲有利于空穴的传输。因此光照条件下,甲基钝化体系中硅基底由于光电效应产生的空穴可以顺利地传输至PEDOT:PSS中。接着使用DOS图以及波函数表征了三种体系硅/PEDOT:PSS界面电荷传输类型和路径,其中重构硅体系的电荷可实现绝热传输;钝化体系中电子均可顺利传输而空穴不能,因此钝化体系的电荷传输可能为非绝热过程,需通过电荷隧穿实现。最后计算了载流子分离和复合的轨道耦合系数,甲基钝化均比氧钝化快,但两者的载流子复合速率相差不大。因此对于硅/PEDOT:PSS体系,采用甲基钝化界面的效果最好。