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有机太阳能电池具有制备工艺简单、轻便、可柔性等特点，从而一度成为众多科研工作者的研究热点^[1-4]，对有机太阳能电池的研究主要是研究如何提高有机太阳能电池的能量转换效率，目前采用旋涂技术制备的PTB7:PC₇₁BM体系的有机太阳能电池的能量转换效率最高有7.4%，但是电池的有效面积只有0.1cm^2[5]，虽然转换效率已经比较高，但由于电池的有效面积较小，导致开路电压、短路电流均较小，无法用于给任何实用的电路进行供电，无法实现实用化。随着有机太阳能电池能量转换效率的不断提高，在保证高转换效率的前提下如何提高器件的有效面积逐渐成为有机太阳能电池领域的研究焦点和难点。一方面因为有机太阳能电池中的有机材料薄膜通常都会存在各种各样的缺陷，从而降低器件的性能^[6]。而当器件面积越大时，这种影响出现的概率也就越大，导致当器件面积增大时器件的性能急剧下降；另一方面是因为ITO透明导电电极的导电性较差，器件面积越大，器件的内电阻也就越高，导致器件的光电性能明显下降。本文致力于采用喷涂技术制备P3HT:PCBM体系的大面积有机太阳能电池，采用不同的电池组结构来制备大面积有机太阳能电池，制备了器件有效面积大于10cm²的有机太阳能电池，并对不同电池组结构对大面积有机太阳能电池性能的影响进行了系统的研究分析。
1. 实验过程
本实验采用的氧化铟锡(ITO)玻璃购于深圳南玻公司，其方阻大约为15Ω/□，首先采用光刻的方法将ITO玻璃进行图形化，并依次在丙酮、酒精、纯水中超声清洗半小时。PEDOT/PSS聚3,4-乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)拜耳PH1000自上海经年化工有限公司购买，将PEDOT:PSS用纯水按2:1的体积比例稀释以防止喷枪阻塞，然后按5%体积分数添加二甲基亚砜以提高导电性，经过改性的PEDOT:PSS用0.22um的过滤嘴过滤，并喷涂到盖有掩膜版ITO玻璃上，然后放置在150℃的加热台上加热5min。P3HT和PCBM材料均购自广州阿格蕾雅公司，P3HT和PCBM以20mg/ml的浓度溶解在氯苯中，磁力搅拌12小时，使材料充分溶解，然后喷涂到盖有掩膜版的PEDOT:PSS薄膜上。最后，在3×10^-3Pa的真空下蒸镀0.5nm的LiF和100nm的Al作为阴极。采用吉时利-4200SCS半导体测试仪测试器件的I-V特性。
 
2. 结果与讨论
  本文分别制备了简单十字交叉结构、正交矩阵结构、金属网格辅助电极结构、串并联结构四种结构的大面积有机太阳能电池组件。简单十字交叉结构如图1所示，即在ITO玻璃基片上采用光刻的方法将ITO电极刻蚀为宽度为3cm的长条状，采用掩膜板使铝阴极的宽度为4cm，故器件面积为12cm²。正交矩阵结构如图2所示即在7cm×7cm的ITO玻璃基片上将ITO电极刻蚀为多个宽度5mm的长条状电极；采用掩膜的方法将Al电极控制为多个宽度5mm的长条状，并将ITO电极和Al电极分别各自短接起来，故器件的有效面积为5mm×5mm×49=12.25cm²。金属网格辅助电极结构如图3所示即在6cm×6cm的ITO玻璃上将ITO电极刻蚀为宽度为4.6cm的长条状，在ITO电极上蒸镀细条状铝电极以降低ITO电极的表面电阻，由于铝电极不透光，在计算器件的有效面积时，需将铝网格所占的面积除去，即ITO电极的宽度应为4.6cm-0.1×6cm=4cm。最后镀制铝阴极时采用掩膜的方法控制其宽度为3cm，故器件的有效面积为12cm²。串并联结构如图4所示即在10cm×10cm的ITO玻璃基片上通过图形化各层薄膜的方法制备70个有效面积为4mm×4mm的小面积的有机太阳能电池器件，并将每行7个小电池串联以增大组件的开路电压，然后将10行的电池并联以增大组件的短路电流，最终形成有效面积为70×16mm²=11.2cm²的大面积有机太阳能电池组件。