有機光伏電池簡介

有機太陽能電池是成分全部或部分為有機物的太陽能電池 ，他們使用了導電聚合物 或小分子用于光的吸收和電荷轉(zhuǎn)移。有機物的大量制備、相對價格低廉，柔軟等性質(zhì)使其在光伏應用方面很有前途。 通過改變聚合物等分子的長度和官能團可以改變有機分子的能隙，有機物的摩爾消光系數(shù) 很高，使得少量的有機物就可以吸收大量的光。

相對于無機太陽能電池，有機太陽能電池的主要缺點是較低的能量轉(zhuǎn)換效率，穩(wěn)定性差和強度低。

太陽能電池是一個特別的半導體二極管，它可能將可見光能轉(zhuǎn)化為直流電，一些太陽能電池可能轉(zhuǎn)化紅外和紫外光的能量為直流電。

通常用于有機光伏電池的材料都是有大量共軛鍵的，共軛鍵是由交替碳碳單鍵和雙鍵組成的，共軛鍵的電子的簡并軌道是離域的，形成了離域成鍵軌道π軌道和反鍵軌道π*。離域π鍵是最高占據(jù)軌道(HOMO)，反鍵軌道π*是最低未占據(jù)軌道(LUMO)。HOMO和LUMO的能級差被認為是有機電子材料的[帶隙]，帶隙一般在1-4 eV。

當這些材料吸收了一個光子，就形成了激發(fā)態(tài)，并被局限在一個分子或一條聚合物的鏈，激發(fā)態(tài)可以被看作是在靜電力作用結合的一個電子和空穴，也就是激發(fā)子，簡稱激子。在光伏電池中，激子在不同物質(zhì)的異質(zhì)結形成的有效場中成為自由的電子空穴對，有效場使電子從吸光體(也就是電子給體)的導帶降到受體分子的導帶上從而破壞了激子，因此電子受體材料的導帶邊界，也就是它的LUMO必須低于吸光體材料。

相對于無機太陽能電池，有機太陽能電池具有如下優(yōu)點:

(1)與無機太陽能電池使用的材料相比，有機半導體材料的原料來源廣泛易得、廉價，環(huán)境穩(wěn)定性高，有良好的光伏效應、材料質(zhì)量輕、較高的吸收系數(shù)(通常>105cm-1)、有機化合物結構可設計且制備提純加工簡便、加工性能好，易進行物理改性等。

(2)有機太陽能電池制備工藝更加靈活簡單，可采用真空蒸鍍或涂敷的辦法制備成膜，還可采用印刷或噴涂等方式，生產(chǎn)中的能耗較無機材料更低，生產(chǎn)過程對環(huán)境無污染，且可在柔性或非柔性襯底上加工，具有制造面積大、超薄、廉價、簡易、良好柔韌性等特點。

(3)有機太陽能電池產(chǎn)品是半透明的，便于裝飾和應用，色彩可選。

目前有機太陽電池的轉(zhuǎn)換效率較低且壽命短，尚未進入使用階段，存在著載流子遷移率低、結構無序、高的體電阻以及電池的耐久性差等問題，造成有機太陽能電池性能低下的原因主要有:

(1)由于有機材料分子間相互作用力很弱，大都為無定型，即使有結晶度，也是無定型與結晶形態(tài)的混合，光照射后生成的光生載流子主要在分子內(nèi)的共軛價鍵上運動，電荷的傳輸是通過載流子在相鄰的分子態(tài)之間進行跳躍實現(xiàn)的，導致了有機材料的載流子遷移率一般都很低，與無機材料相比要低若干個量級，這對有機半導體器件的效率有較大影響;

(2)有機半導體材料吸收太陽光波段不寬，絕大部分材料最大吸收波段在350nm~650nm，而地球表面可吸收的太陽光的能量主要分布在600nm~800nm，因此吸收光譜與太陽光光譜不匹配，導致光電轉(zhuǎn)換效率低;如果通過增加激活層的厚度來提高光的吸收，但同時也會使器件的串聯(lián)電阻增大激子和載流子的遷移距離增加，短路電流減小，從而導致光電轉(zhuǎn)換效率較低;

(3)有機半導體在吸收太陽光后會產(chǎn)生束縛的空穴-電子對--"激子"，激子的分離與遷移并非全部有效，首先其擴散距離短，通常僅約為10nm，其次激子分離后產(chǎn)生的電子和空穴在一般有機材料中的傳輸速率不高，傳輸?shù)倪^程中往往會受到電子和空穴復合的影響，并且電子和空穴傳輸?shù)诫姌O表面進入電極時通常要克服一個勢壘，這樣激子在半導體薄膜的遷移過程中就不可避免的存在著激子復合的損失，一般僅離邊界或結點最近的激子才會產(chǎn)生光伏電流，使得有機太陽能電池實際轉(zhuǎn)化效率低下;

(4)有機半導體材料在有氧和水存在的條件下往往是不穩(wěn)定的。

有機光伏電池的工作機理很大程度上類似于無機光伏電池,但是由于材料本身性質(zhì)的影響還是有一定區(qū)別的。具體區(qū)別如下:

1. 無機半導體材料具有能帶結構,而有機半導體材料占有不連續(xù)的能帶(分子軌道)。然而"帶隙"的概念經(jīng)常不恰當?shù)挠迷谟袡C半導體材料。

2. 當空穴電子對(激子)在無機半導體中形成,它會很快分離。激子在有機半導體中被緊緊的束縛(結合能大約為 0.3-0.5eV)而且他們分離之前需要避免再結合。

3. 與無機半導體相比,有機半導體材料的載流子遷移率還非常低。

4. 有機半導體材料的光吸收系數(shù)比無機材料要高許多。

對于電荷轉(zhuǎn)移過程的多學科研究已經(jīng)有很長的一段時間。為了便于更好的理解,大致將給體-受體混合物中的分子內(nèi)或分子間的光致電子轉(zhuǎn)移分為以下幾個步驟。字母 D和 A 分別代表電子給體和受體,1 和 3 分別代表激發(fā)態(tài)為單一態(tài)和三重態(tài)。3

有機光伏電池的工作原理普遍認為是光誘導電子轉(zhuǎn)移的光物理過程,理想的電子整個產(chǎn)生轉(zhuǎn)移過程由以下五步組成: - 7 -

1. 吸光材料的光生激子由基態(tài)最高占據(jù)分子軌道能級(HOMO)激發(fā)到激發(fā)態(tài)最低非占據(jù)分子軌道能級(LUMO),激子產(chǎn)生。

2. 激子在復合前擴散到給體-受體(D/A)界面。

3. 如果給體受體材料的能級差比激子束縛能高,激子就會在 D/A 界面分離。激子分離的電子從給體轉(zhuǎn)移到受體的 LUMO 能級,而空穴留在給體的 HOMO 能級,這一步自由載流子產(chǎn)生。

4. 載流子分別擴散到兩電極,電子在受體中擴散,空穴在給體中擴散。

5. 載流子到達電極被收集。

有機太陽能電池發(fā)展迅速，它們具有廉價、柔軟、輕便等諸多優(yōu)點，是硅太陽能電池的有力挑戰(zhàn)者，有望在未來光伏產(chǎn)業(yè)中扮演重要角色。然而，有機太陽能電池的進一步應用仍然受到一些技術因素的制約。首先，有機半導體中激子擴散長度比有機光伏電池活性層厚度短得多，且有機半導體載流子遷移率比硅半導體也小不少;這一固有缺陷要求有機光伏電池具有較薄的活性層以獲取更高的能量轉(zhuǎn)換效率,但隨著活性層變薄，其光吸收也隨之減少。其次，有機太陽能電池的透明電極材料通常是氧化銦錫，這種材料成本較高，且不適合于制造柔性光伏器件。