有機(jī)光伏電池有機(jī)材料

太陽能電池是一個(gè)特別的半導(dǎo)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(jī)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(jí)差被認(rèn)為是有機(jī)電子材料的[帶隙]，帶隙一般在1-4 eV。

當(dāng)這些材料吸收了一個(gè)光子，就形成了激發(fā)態(tài)，并被局限在一個(gè)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(jié)合的一個(gè)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(jié)形成的有效場中成為自由的電子空穴對(duì)，有效場使電子從吸光體(也就是電子給體)的導(dǎo)帶降到受體分子的導(dǎo)帶上從而破壞了激子，因此電子受體材料的導(dǎo)帶邊界，也就是它的LUMO必須低于吸光體材料。

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

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

相對(duì)于無機(jī)太陽能電池，有機(jī)太陽能電池具有如下優(yōu)點(diǎn):

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

(2)有機(jī)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(jī)材料更低，生產(chǎn)過程對(duì)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(jià)、簡易、良好柔韌性等特點(diǎn)。

(3)有機(jī)太陽能電池產(chǎn)品是半透明的，便于裝飾和應(yīng)用，色彩可選。

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

(1)由于有機(jī)材料分子間相互作用力很弱，大都為無定型，即使有結(jié)晶度，也是無定型與結(jié)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(jià)鍵上運(yùn)動(dòng)，電荷的傳輸是通過載流子在相鄰的分子態(tài)之間進(jìn)行跳躍實(shí)現(xiàn)的，導(dǎo)致了有機(jī)材料的載流子遷移率一般都很低，與無機(jī)材料相比要低若干個(gè)量級(jí)，這對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體器件的效率有較大影響;

(2)有機(jī)半導(dǎo)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(dǎo)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(shí)也會(huì)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(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率較低;

(3)有機(jī)半導(dǎo)體在吸收太陽光后會(huì)產(chǎn)生束縛的空穴-電子對(duì)--"激子"，激子的分離與遷移并非全部有效，首先其擴(kuò)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(jī)材料中的傳輸速率不高，傳輸?shù)倪^程中往往會(huì)受到電子和空穴復(fù)合的影響，并且電子和空穴傳輸?shù)诫姌O表面進(jìn)入電極時(shí)通常要克服一個(gè)勢壘，這樣激子在半導(dǎo)體薄膜的遷移過程中就不可避免的存在著激子復(fù)合的損失，一般僅離邊界或結(jié)點(diǎn)最近的激子才會(huì)產(chǎn)生光伏電流，使得有機(jī)太陽能電池實(shí)際轉(zhuǎn)化效率低下;

(4)有機(jī)半導(dǎo)體材料在有氧和水存在的條件下往往是不穩(wěn)定的。

有機(jī)光伏電池的工作機(jī)理很大程度上類似于無機(jī)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(jī)半導(dǎo)體材料具有能帶結(jié)構(gòu),而有機(jī)半導(dǎo)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(dāng)?shù)挠迷谟袡C(jī)半導(dǎo)體材料。

2. 當(dāng)空穴電子對(duì)(激子)在無機(jī)半導(dǎo)體中形成,它會(huì)很快分離。激子在有機(jī)半導(dǎo)體中被緊緊的束縛(結(jié)合能大約為 0.3-0.5eV)而且他們分離之前需要避免再結(jié)合。

3. 與無機(jī)半導(dǎo)體相比,有機(jī)半導(dǎo)體材料的載流子遷移率還非常低。

4. 有機(jī)半導(dǎo)體材料的光吸收系數(shù)比無機(jī)材料要高許多。

對(duì)于電荷轉(zhuǎn)移過程的多學(xué)科研究已經(jīng)有很長的一段時(shí)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(gè)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(jī)光伏電池的工作原理普遍認(rèn)為是光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移的光物理過程,理想的電子整個(gè)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(jí)(HOMO)激發(fā)到激發(fā)態(tài)最低非占據(jù)分子軌道能級(jí)(LUMO),激子產(chǎn)生。

2. 激子在復(fù)合前擴(kuò)散到給體-受體(D/A)界面。

3. 如果給體受體材料的能級(jí)差比激子束縛能高,激子就會(huì)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(jí),而空穴留在給體的 HOMO 能級(jí),這一步自由載流子產(chǎn)生。

4. 載流子分別擴(kuò)散到兩電極,電子在受體中擴(kuò)散,空穴在給體中擴(kuò)散。

5. 載流子到達(dá)電極被收集。

有機(jī)太陽能電池發(fā)展迅速，它們具有廉價(jià)、柔軟、輕便等諸多優(yōu)點(diǎn)，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(jī)太陽能電池的進(jìn)一步應(yīng)用仍然受到一些技術(shù)因素的制約。首先，有機(jī)半導(dǎo)體中激子擴(kuò)散長度比有機(jī)光伏電池活性層厚度短得多，且有機(jī)半導(dǎo)體載流子遷移率比硅半導(dǎo)體也小不少;這一固有缺陷要求有機(jī)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(jī)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。