有机太阳能电池结构与性能提升报告

Organic Solar Cell
Schematic and energy diagram of a typical polymer solar cell and its operation
Exciton formation
Exciton diffusion e Exciton Carrier dissociation transport
Transparent cathode
D-A blending layer (Bulk heterojunctio n –Байду номын сангаасHJ device)
理想结构
Dead end
Anode Acceptor
Donor :Acceptor Donor Transparent cathode
D-D:A-A layer (Hybrid bulk heterojunct ion –HHJ device)
Organic Solar Cells :
Device architectures, Working principles and Performance improvement
Why OPV ?
硅基太阳电池
• 制造成本高 • 制备工艺复杂 • 消耗能源多，成本回 收周期长 • 制备需要有毒化学品 和大量水资源 • 器件比较脆弱，无柔 性，不能弯曲（支架） • 材料的窄带隙特性使 其光腐蚀现象比较严 重
叠层太阳电池的开路电压一般大于子单元 （理想情况下，等于子单 元开路电压之和），总电流决定于电流较小的子单元，其转换效率主要 受光生电流的限制 ,设计的关键是合理地选择各子电池的能隙宽度和厚 度以及优良的连接层以保证子电池之间的欧姆接触 。
Tandem inverted Polymer Solar Cells
ITO
Al
2.2能量传输和转移---激子扩散/输运
由于有机分子之间的作用力很小，材料的HOMO 与LUMO 是不连续的，电子和空穴的传输是跳跃式的 ，扩散长度Ld 约 5~20nm 激子在有机质中是通过能量传递的方式进行输运的： Foster能量转移
Dexter能量转移
ITO
LUMO
HOMO
Al
有机太阳电池
• 制造成本低 • 可采用湿法制备大面 积均匀膜层(可溶性) • 材料可选空间大，可 以合成新材料(分子可 设计性) • 吸收系数高，可制成 很薄的薄膜 • 柔韧性高，材料轻便， 便于携带
1.Device architectures
Anode(Al /Ag)
Conjugated polymer Single layer (Schottky – type)
对于体相异质结结构，由于给体与给体分子之间或者受体与受 体之间将可能存在一定距离，这将会使空穴在给体或者电子在受体 中通过迁移和扩散进行的输运出现不连续的情况，载流子的输运需 要借助逾渗作用（percolation）进行。
在电极接触面处，给体的HOMO与ITO功函数以及受体的LUMO 与金属功函数的应匹配， 以实现欧姆接触，避免电极处的电荷收集 损失 。
PIN type
Andoe
N type Acceptor Donor P type Transparent cathode
Tandem Polymer Solar Cells
2007年<<science>>,6.5%.采用倒型结构，窄能隙结 构单元作为第一层。器件最大的特色是在子电池结构 单元之间使用了溶胶法制备的透明TiOx作为光隔离层 和连接层
成膜工艺
有机器件一般采用真空蒸镀的方式来沉积薄膜，当然 对于大分子最常用的是旋涂。 成分比例 厚度 溶剂
器件结构的界面修饰
电极修饰的目的是使其功函数与給体材料的HOMO或 受体材料的LUMO相匹配，以提高电荷抽取/注入效率， 阻挡激子和非收集载流子的传输。
ITO光阳极的处理: 氧等离子体处理，旋涂PEDOT:PSS, 金纳米颗粒薄膜 修饰等。
Energy/eV
Vacuum Energy
φm
AD
ID
e
φm
Al Al
Donor Acceptor
ITO
2.1.光子捕获吸收---激子产生
在有机物中， 分子吸收光子之后，电子将从HOMO 跃迁到 LUMO上，而在HOMO上留下空穴，这束缚的电子和空穴对即为激 子。
LUMO light HOMO
较为常见的阴极修饰： 金属氟化物 ，TiOx，ZnO，Cs2CO3等
薄膜干涉效应
金属纳米粒子 表面等离激元
Spectral conversion
分子内传输
D2 D*1
D1
D*2
偶极-偶极能量转移(分子间Foster能量转移)：将激子视为偶极子， 它与其他偶极子之间存在相互作用。激子偶极子的振动将引起临近分 子的振动，以此可以将激子的能量传递给临近分子
D2 D*1
D1
D*2
电子交换能量转移（Dexter能量转移)：激子中的电子本身也可 以由激发态的分子跃迁到邻近的基态分子的最低空轨道上，与此同 时，空穴也跃迁到同一基态分子的最高占据轨道上，以平衡电荷
SEMICONDUCTOR PICTURE
MOLECULAR PICTURE
GROUND STATE
WANNIER EXCITON
GROUND STATE
FRENKEL EXCITON
binding energy ~10meV radius ~100Å
binding energy ~1eV radius ~10Å
激子在給体/受体界面完成光诱导电荷转移后，发生电荷分 离，成为自由电荷：空穴在给体中，电子在受体中。它们必须在 有机层中传输至各自的电极才能被收集。有机材料的定域性使得 电荷通过跳跃模式（hopping)或者扩散作用（diffusion）进行传输， 最终到达电极并被收集而产生光电流。
自由电荷向电极传输的两种驱动力： 内部渐变电场 ——迁移运动 自由电荷 的浓度梯度 ——扩散运动
Charge collection
h+
Anode
Donor
Acceptor
Cathode
3.Performance improvement
光学：增加光吸收（阳极陷光结构，薄 膜干涉效应，金属纳米粒子表面等离激 元，光谱装换） 电学：利于载流子输运（活性层形貌控 制，界面能级调整等）
退火处理
载流子的传输对材料的形貌，颗粒的大小较为敏感。 退火的应用使得材料进行重新的组织形成一定的晶态和良好 的双联通结构，自组装程度高，薄膜结晶度和形貌好，从而 改善迁移率，改进器件性能。 温度 时间 溶剂退火
• Wannier exciton • Charge-transfer exciton • Frenkel exciton
导带
n=3 n=2 n=1
激子能级
价带
Wannier exciton (typical of inorganic semiconductors)
Frenkel exciton (typical of organic materials)
2012年，杨阳研究组的达到10.6%
Organic /Inorganic hybrid Solar Cells
2.Working principles
2.1光子捕获吸收---激子产生 2.2能量传输与转移---激子扩散 2.3电荷的转移和分离---激子解离 2.4载流子的输运和收集
2.0 Exciton
Transparent cathode
Anode(Al /Ag)
Acceptor Bi-layer (Planar heterojunction PHJ type)
Donor
Transparent cathode
2009年4月26日《nature photonics》上的高效单结电池
Anode Donor :Acceptor
2.3.电荷的转移和分离---激子解离
有机材料中激子束缚能较大，室温下的热能不足以将光生激 子解离为自由电荷。同时 激子的寿命和扩散长度（5~20nm）都 比较的短，这限制了活性层的厚度 。通常情况下，有机光伏器 件需要一个有效的解离机制来解离激子，即給体/受体界面。
D*
A
D
A*
2.4.载流子的输运和收集