平面异质结有机太阳能电池
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在此基础上,人们为了解决载流子的传输不平衡问题,衍生出了三种结构。这些结构均采用迁移率更高的有机 材料来充当自由载流子的传输层,如电子传输层(ETL)和空穴传输层(HTL),这样可以提高器件的光电流。
产品结构
经过几十年发展，有机太阳能电池已经形成多种结构体系，根据活性层中有机半导体材料的不同可分为单质 结、平面异质结、体异质结等结构。其中平面异质结是以往采用最为普遍的一种有机太阳能电池结构。
谢谢观看
早在 1986年，有机光电子器件领域著名的教授就制备了由两种共轭小分子有机材料组成的光伏器件，当时 这个器件实现大约 1%的能量转换效率。在平面体异质结光伏器件中，电极间有两种不同的物质层，形成层叠的 双层薄膜。由于这两种物质层在电子亲和性和电离能方面存在差异，两种物质层界面间存在静电力。两种物质层 所用的材料要尽可能使这种差异更大，从而使局部电场大到足以使激子分离。两种不同的材料中拥有较高电子亲 和性和电离能的是电子受体，另外一种材料为提供电子的吸光体，为电子给体。
有机和无机 光伏电池的 工作机理差
异
有机太阳能 电池制约因 素
有机光伏电池的工作机理很大程度上类似于无机光伏电池,但是由于材料本身性质的影响还是有一定区别的。 具体区别如下:
1.无机半导体材料具有能带结构,而有机半导体材料占有不连续的能带(分子轨道)。然而“带隙”的概念经 常不恰当的用在有机半导体材料。
工作原理
为了提高光活性材料的激子分离效率,在1986年首次提出了把给体材料和受体材料分别置于两层中的双层器 件结构。1993年Saricifitci等人首次报道了基于聚合物材料的双层器件,其结构为ITO/MEH-PPV/C60/Au,施体 材料为PPV的衍生物MEH-PPV,C60分子由于其具有高的电子亲和能和电子迁移率,首次作为受体材料应用到双层聚 合物太阳能电池中,在单色光下器件的PCE接近2%。
从原理上分析,与无机半导体相比有机分子之间的 LUMO和 HOMO并不是连续的导带和价带。载流子在有机半 导体材料中传输,需要电荷在不同分子之间的“跳跃(hopping)”机制来实现,宏观的表现就是有机半导体材料载 流子迁移率与无机半导体相比要低得多。同时,有机半导体材料吸收光子后形成的是通过静电作用结合在一起的空 穴-电子对,也就是通常所说的激子,不像无机半导体那样在导带中产生自由电子并在价带中留下空穴。由于激子 的寿命很短通常在毫秒量级以下,未经有效分离的电子和空穴就会复合,释放出所吸收的能量。因而有机半导体中 激子分离效率对电池的光电转化效率有关键的影响。
相对于单层结构，平面异质结由施体和受体两层组成。施体为空穴传输型，而受体为电子传输型。通常，施 体层为光吸收系数高的光敏材料，而受体层则通常电子迁移率率高，且其最低未占据分子轨道远低于施体材料。 当施体层吸收太阳光后会产生激子,产生的激子扩散到施体层(D)和受体层(A)的界面处,由于施体层的最高占据分 子轨道(HOMOo)和受体层的最低未占据分子轨道(LUMOA)的能级差会克服激子内部的束缚能,使得激子分离形成电 子和空穴。接着电子和空穴在自建电场的作用下分别在A层和D层中传输,随后传输到阴极和阳极并穿过电极接触 处的接触势垒,形成光电流。由于施体/受体界而处的电势差较大(一般大于激子的束缚能),可以轻松地离解该界 面处产生的激子,激子离解后产生的自由电子和空穴可以分别在受体层和施体层中传输,这在一定程度上减小了淬 灭现象,因此该结构的能量转换系数比单层有机太阳能电池的高。
其他产品
1986年，有机太阳能电池的发展迎来了一个里程碑式的事件。柯达公司邓青云博士在肖特基型电池的基础上， 首次提出了双层平面异质结有机太阳能电池的结构。所谓双层平面异质结，它与肖特基型不同之处在于电极之间 插入的是两层有机材料，一层为 p型材料，另一层为 n型材料。
为了提高有机太阳能电池活性层材料中激子分离效率,在器件结构设计上人们引入电子受体材料和给体材料, 得到双层膜异质结型有机太阳能电池。有机半导体材料吸收光子之后产生激子,激子在给体受体界面产生快速电荷 转移,电子注入到受体材料后,空穴和电子得到有效分离。分离后的电子和空穴在内建电场的作用下分别传输到两 个电极上,从而形成光电流。与前述“肖特基型”电池相比,此种结构有效的引入了电荷分离的机制,使激子分离 为电子和空穴。电极仅仅起到提供欧姆接触和收集载流子的作用。电子和空穴分别在两种不同的材料中传输,大大 减少了复合几率,因而光电转换效率得到很大的提高。
平面异质结有机太阳能电池
太阳能电池
01 产品概述
03 产品结构
目录
02 工作原理 04 其他产品
相对于单层结构，平面异质结由施体和受体两层组成。施体为空穴传输型，而受体为电子传输型。通常，施 体层为光吸收系数高的光敏材料，而受体层则通常电子迁移率率高，且其最低未占据分子轨道远低于施体材料。
产品概述
2.当空穴电子对(激子)在无机半导体中形成,它会很快分离。激子在有机半导体中被紧紧的束缚(结合能大约 为 0.3-0.5eV)而且他们分离之前需要避免再结合。
3.与无机半导体相比,有机半导体材料的载流子迁移率还非常低。
4.有机半导体材料的光吸收系数比无机材料要高许多。
对于电荷转移过程的多学科研究已经有很长的一段时间。为了便于更好的理解,大致将给体-受体混合物中的 分子内或分子间的光致电子转移分为以下几个步骤。字母 D和 A分别代表电子给体和受体,1和 3分别代表激发态 为单一态和三重态。
电子给体中产生的激子可以扩散到与电子受体的分界面上并分离，空穴保留在给体中而电子进入到受体里。 平面异质结太阳能电池中，虽然电子给体和电子受体之间的界面有较大面积，但激子只能在界面区域分离，因为 有机半导体中载流子输运距离是很短的，大约是在10 nm的量级，而为了保证足够的光吸收，活性层厚度又往往 需要大于这个距离（至少是100 nm）,所以离界面较远处产生的激子往往还没到达界面就复合了。另外，有机材 料载流子迁移率通常都比较低，从界面上分离出来的载流子在向电极运动的过程中大量损失。这两点制约了平面 异质结光伏电池的能量转换效率的提高。
有机太阳能电池发展迅速，它们具有廉价、柔软、轻便等诸多优点，是硅太阳能电池的有力挑战者，有望在 未来光伏产业中扮演重要角色。然而，有机太阳能电池的进一步应用仍然受到一些技术因素的制约。首先，有机 半导体中激子扩散长度比有机光伏电池活性层厚度短得多，且有机半导体载流子迁移率比硅半导体也小不少；这 一固有缺陷要求有机光伏电池具有较薄的活性层以获取更高的能量转换效率,但随着活性层变薄，其光吸收也随之 减少。其次，有机太阳能电池的透明电极材料通常是氧化铟锡，这种材料成本较高，且不适合于制造柔性光伏器 件。
产品结构
经过几十年发展，有机太阳能电池已经形成多种结构体系，根据活性层中有机半导体材料的不同可分为单质 结、平面异质结、体异质结等结构。其中平面异质结是以往采用最为普遍的一种有机太阳能电池结构。
谢谢观看
早在 1986年，有机光电子器件领域著名的教授就制备了由两种共轭小分子有机材料组成的光伏器件，当时 这个器件实现大约 1%的能量转换效率。在平面体异质结光伏器件中，电极间有两种不同的物质层，形成层叠的 双层薄膜。由于这两种物质层在电子亲和性和电离能方面存在差异，两种物质层界面间存在静电力。两种物质层 所用的材料要尽可能使这种差异更大，从而使局部电场大到足以使激子分离。两种不同的材料中拥有较高电子亲 和性和电离能的是电子受体，另外一种材料为提供电子的吸光体，为电子给体。
有机和无机 光伏电池的 工作机理差
异
有机太阳能 电池制约因 素
有机光伏电池的工作机理很大程度上类似于无机光伏电池,但是由于材料本身性质的影响还是有一定区别的。 具体区别如下:
1.无机半导体材料具有能带结构,而有机半导体材料占有不连续的能带(分子轨道)。然而“带隙”的概念经 常不恰当的用在有机半导体材料。
工作原理
为了提高光活性材料的激子分离效率,在1986年首次提出了把给体材料和受体材料分别置于两层中的双层器 件结构。1993年Saricifitci等人首次报道了基于聚合物材料的双层器件,其结构为ITO/MEH-PPV/C60/Au,施体 材料为PPV的衍生物MEH-PPV,C60分子由于其具有高的电子亲和能和电子迁移率,首次作为受体材料应用到双层聚 合物太阳能电池中,在单色光下器件的PCE接近2%。
从原理上分析,与无机半导体相比有机分子之间的 LUMO和 HOMO并不是连续的导带和价带。载流子在有机半 导体材料中传输,需要电荷在不同分子之间的“跳跃(hopping)”机制来实现,宏观的表现就是有机半导体材料载 流子迁移率与无机半导体相比要低得多。同时,有机半导体材料吸收光子后形成的是通过静电作用结合在一起的空 穴-电子对,也就是通常所说的激子,不像无机半导体那样在导带中产生自由电子并在价带中留下空穴。由于激子 的寿命很短通常在毫秒量级以下,未经有效分离的电子和空穴就会复合,释放出所吸收的能量。因而有机半导体中 激子分离效率对电池的光电转化效率有关键的影响。
相对于单层结构，平面异质结由施体和受体两层组成。施体为空穴传输型，而受体为电子传输型。通常，施 体层为光吸收系数高的光敏材料，而受体层则通常电子迁移率率高，且其最低未占据分子轨道远低于施体材料。 当施体层吸收太阳光后会产生激子,产生的激子扩散到施体层(D)和受体层(A)的界面处,由于施体层的最高占据分 子轨道(HOMOo)和受体层的最低未占据分子轨道(LUMOA)的能级差会克服激子内部的束缚能,使得激子分离形成电 子和空穴。接着电子和空穴在自建电场的作用下分别在A层和D层中传输,随后传输到阴极和阳极并穿过电极接触 处的接触势垒,形成光电流。由于施体/受体界而处的电势差较大(一般大于激子的束缚能),可以轻松地离解该界 面处产生的激子,激子离解后产生的自由电子和空穴可以分别在受体层和施体层中传输,这在一定程度上减小了淬 灭现象,因此该结构的能量转换系数比单层有机太阳能电池的高。
其他产品
1986年，有机太阳能电池的发展迎来了一个里程碑式的事件。柯达公司邓青云博士在肖特基型电池的基础上， 首次提出了双层平面异质结有机太阳能电池的结构。所谓双层平面异质结，它与肖特基型不同之处在于电极之间 插入的是两层有机材料，一层为 p型材料，另一层为 n型材料。
为了提高有机太阳能电池活性层材料中激子分离效率,在器件结构设计上人们引入电子受体材料和给体材料, 得到双层膜异质结型有机太阳能电池。有机半导体材料吸收光子之后产生激子,激子在给体受体界面产生快速电荷 转移,电子注入到受体材料后,空穴和电子得到有效分离。分离后的电子和空穴在内建电场的作用下分别传输到两 个电极上,从而形成光电流。与前述“肖特基型”电池相比,此种结构有效的引入了电荷分离的机制,使激子分离 为电子和空穴。电极仅仅起到提供欧姆接触和收集载流子的作用。电子和空穴分别在两种不同的材料中传输,大大 减少了复合几率,因而光电转换效率得到很大的提高。
平面异质结有机太阳能电池
太阳能电池
01 产品概述
03 产品结构
目录
02 工作原理 04 其他产品
相对于单层结构，平面异质结由施体和受体两层组成。施体为空穴传输型，而受体为电子传输型。通常，施 体层为光吸收系数高的光敏材料，而受体层则通常电子迁移率率高，且其最低未占据分子轨道远低于施体材料。
产品概述
2.当空穴电子对(激子)在无机半导体中形成,它会很快分离。激子在有机半导体中被紧紧的束缚(结合能大约 为 0.3-0.5eV)而且他们分离之前需要避免再结合。
3.与无机半导体相比,有机半导体材料的载流子迁移率还非常低。
4.有机半导体材料的光吸收系数比无机材料要高许多。
对于电荷转移过程的多学科研究已经有很长的一段时间。为了便于更好的理解,大致将给体-受体混合物中的 分子内或分子间的光致电子转移分为以下几个步骤。字母 D和 A分别代表电子给体和受体,1和 3分别代表激发态 为单一态和三重态。
电子给体中产生的激子可以扩散到与电子受体的分界面上并分离，空穴保留在给体中而电子进入到受体里。 平面异质结太阳能电池中，虽然电子给体和电子受体之间的界面有较大面积，但激子只能在界面区域分离，因为 有机半导体中载流子输运距离是很短的，大约是在10 nm的量级，而为了保证足够的光吸收，活性层厚度又往往 需要大于这个距离（至少是100 nm）,所以离界面较远处产生的激子往往还没到达界面就复合了。另外，有机材 料载流子迁移率通常都比较低，从界面上分离出来的载流子在向电极运动的过程中大量损失。这两点制约了平面 异质结光伏电池的能量转换效率的提高。
有机太阳能电池发展迅速，它们具有廉价、柔软、轻便等诸多优点，是硅太阳能电池的有力挑战者，有望在 未来光伏产业中扮演重要角色。然而，有机太阳能电池的进一步应用仍然受到一些技术因素的制约。首先，有机 半导体中激子扩散长度比有机光伏电池活性层厚度短得多，且有机半导体载流子迁移率比硅半导体也小不少；这 一固有缺陷要求有机光伏电池具有较薄的活性层以获取更高的能量转换效率,但随着活性层变薄，其光吸收也随之 减少。其次，有机太阳能电池的透明电极材料通常是氧化铟锡，这种材料成本较高，且不适合于制造柔性光伏器 件。