有机太阳能电池..
有机太阳能电池
有机太阳能电池摘要有机太阳能电池因具有成本低、质轻、柔韧性好、可大面积印刷制备的优点而受到广泛关注，对电池原理，结构，材料的研究对提高有机太阳能电池的性能有重大意义。
本文主要综述了有机太阳能电池的工作原理，电池结构以及电极材料。
并对有机太阳能电池的应用前景做了展望。
关键词原理；结构；材料；应用前景1.有机太阳能电池简介有机太阳能电池，顾名思义，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。
主要是以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，以光伏效应而产生电压形成电流, 实现太阳能发电的效果.由于无机硅太阳能电池的材料生产成本高，污染大、能耗高，寻找新型太阳能电池材料和低成本制造技术便成为人们研究太阳能电池技术的目标。
有机太阳能材料和电池制备技术有望成为低成本制造的选择之一。
世界上第一个有机光电转化器件是由Kearns和Calvin在1958年制备的，其主要材料为镁酞菁（MgPc）染料，染料层夹在两个功函数不同的电极之间。
1986年，行业内出现了一个里程碑式的突破——有机半导体的发明。
器件的核心结构是由四羧基苝的一种衍生物（PV）和铜酞菁（CuPc）组成的双层膜。
双层膜的本质是一个异质结，其思路是用两种有机半导体材料来模仿无机异质结太阳能电池。
1992年，土耳其人Sariciftci在美国发现，激发态的电子能极快地从有机半导体分子注入到C60分子中，而反向的过程却要慢得多。
1993年，Sariciftci在此发现的基础上制成PPV/C60双层膜异质结太阳能电池。
随后，研究人员在此类太阳能电池的基础上又提出了一个重要的概念：混合异质结（体异质结）。
而所谓“混合异质结”，就是将给体材料和受体材料混合起来，通过共蒸或者旋涂的方法制成一种混合薄膜。
给体和受体在混合膜里形成一个个单一组成的区域，在任何位置产生的激子，都可以通过很短的路径到达给体与受体的界面（即结面），从而电荷分离的效率得到了提高。
2.有机太阳能电池工作原理激子概念在有机半导体材料中，分子之间只有很弱的范德华作用力，不能形成连续的能带，电子被光激发后只能停留在原分子轨道内，不能转移到其他分子上。
有机-聚合物太阳能电池概述
有机/聚合物太阳能电池１．有机/聚合物太阳能电池的基本原理有机/聚合物太阳电池的基本原理是利用光入射到半导体的异质结或金属半导体界面附近产生的光生伏打效应(Ｐhotovoltaiｃ)。
光生伏打效应是光激发产生的电子空穴对一激子被各种因素引起的静电势能分离产生电动势的现象。
当光子入射到光敏材料时，光敏材料被激发产生电子和空穴对，在太阳能电池内建电场的作用下分离和传输，然后被各自的电极收集。
在电荷传输的过程中，电子向阴极移动,空穴向阳极移动，如果将器件的外部用导线连接起来，这样在器件的内部和外部就形成了电流。
对于使用不同材料制备的太阳能电池，其电流产生过程是不同的。
对于无机太阳能电池,光电流产生过程研究成熟,而有机半导体体系的光电流产生过程有很多值得商榷的地方，也是目前研究的热点内容之一,在光电流的产生原理方面,很多是借鉴了无机太阳能电池的理论(比如说其能带理论),但是也有很多其独特的方面，现介绍如下:一般认为有机/聚合物太阳电池的光电转换过程包括:光的吸收与激子的形成、激子的扩散和电荷分离、电荷的传输和收集。
对应的过程和损失机制如图1所示。
图1 聚合物太阳能电池光电转换过程和入射光子损失机理光吸收与激子的形成当太阳光透过透明电极ITＯ照射到聚合物层上时，不是所有的光子都能被聚合物材料所吸收的，只有光子能量hν大于材料的禁带宽度E g时，光子才能被材料吸收,激发电子从聚合物的最高占有轨道(HＯMO)跃迁到最低空轨道(ＬUMO)，留在ＨOＭO中的空位通常称为“空穴”,这样就形成了激子，通常激子由于库仑力的作用，具有较大的束缚能而绑定在一起。
对于入射到地面的太阳光谱从其能量分布来看,大约在700nm处能量是最强的，因而所使用的激活层材料其吸收光谱也应该尽量的接近太阳的辐照光谱,并且在７00nm处达到最强的吸收，这样有力于激活层材料对光的吸收和利用。
但是从目前研究的聚合物材料来看，其吸收光谱均不能与太阳光谱很好的匹配。
太阳能电池的分类
太阳能电池的分类以太阳能电池的分类为标题，我们来详细介绍一下太阳能电池的不同种类和特点。
一、单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池是最早被应用于太阳能发电领域的一种电池。
它的特点是具有较高的转换效率和较好的稳定性。
单晶硅太阳能电池由单个晶体生长而成，因此晶体结构完整，能够充分吸收光能，并将其转化为电能。
单晶硅太阳能电池的缺点是生产成本较高，制造过程相对复杂。
二、多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池是由多个晶体片拼接而成的。
相比于单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池的制造过程更简单，成本更低。
然而，由于晶体之间存在晶界，多晶硅太阳能电池的转换效率相对较低，稳定性也略差。
三、薄膜太阳能电池薄膜太阳能电池是一种采用薄膜材料制造的太阳能电池。
薄膜太阳能电池的制造工艺相对简单，成本较低。
薄膜太阳能电池的转换效率相对较低，但在低光照条件下性能表现较好。
薄膜太阳能电池还具有柔性，可以应用于更多的场景，例如建筑物外墙、车顶等。
四、有机太阳能电池有机太阳能电池是利用有机半导体材料制造的一种太阳能电池。
有机太阳能电池具有制造工艺简单、成本低廉的特点。
然而，由于有机材料的稳定性较差，有机太阳能电池的寿命相对较短，转换效率也较低。
目前，有机太阳能电池主要用于一些小型设备的供电，如智能手表、智能眼镜等。
五、钙钛矿太阳能电池钙钛矿太阳能电池是近年来新兴的一种太阳能电池技术。
它利用钙钛矿材料作为光敏层，具有较高的转换效率和较好的稳定性。
钙钛矿太阳能电池的制造工艺相对简单，可以采用低成本的生产方法。
然而，目前钙钛矿太阳能电池的寿命和稳定性仍然存在一定问题，需要进一步改进和研究。
六、染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池是一种利用染料吸收光能并将其转化为电能的太阳能电池。
染料敏化太阳能电池具有制造工艺简单、成本低廉的特点。
然而，染料敏化太阳能电池的转换效率相对较低，稳定性也较差。
目前，染料敏化太阳能电池主要用于一些低功率应用，如电子设备的充电等。
有机叠层太阳能电池
有机叠层太阳能电池有机叠层太阳能电池：1.什么是有机叠层太阳能电池有机叠层太阳电池（Organic Photovoltaic，OPV）是一种非常新颖的太阳能电池技术，它使用材料厚度仅为数百纳米的有机半导体和金属层来捕获能量并将其转换为电能。
这是一种“印刷电池”技术，也可以通过在很薄的材料上层叠来制造电池，从而大大降低了成本，而且可以比传统太阳能电池输出更高的电能性能。
2.有机叠层太阳能电池优势（1）体积小：有机叠层太阳能电池太阳能电池只有几微米厚，可以制成超薄型的太阳能组件，而传统太阳能电池的厚度需要很多毫米，这种技术能够大大减少太阳能电池的体积，重量轻，可以是其他组件的集成，应用的能力更广泛。
（2）成本低：由于有机叠层太阳能电池本身十分薄，用起来特别方便，而且成本低，在原材料成本上只占2%以内，大大降低了整个电池成本，可更好地适应产业化生产。
（3）有效率：有机叠层太阳能电池的有效率比传统太阳能电池要高，其最高有效率可以达到13.1%至14.0%之间，让太阳能发电更加经济高效。
3.有机叠层太阳能电池应用领域（1）智能手机：有机叠层太阳能电池的超薄体积可以帮助智能手机实现有效电能充放，其安装也可以集中于手机表面，不影响其原有美观性。
（2）平板电脑：有机叠层太阳能电池可以用于平板电脑，用于实现太阳能给平板电脑带来的可再生的能源。
（3）车载：有机叠层太阳能电池的薄厚度可以实现车载太阳能动力，可用于调节汽车电路、消耗燃料、改善汽车性能以及改善汽车外观。
（4）畜牧业：畜牧业可以利用有机叠层太阳能电池技术，用于兽类照料、温度诊断系统以及消防监管系统，大大降低农牧业的成本。
4.结论有机叠层太阳能电池是一种新型的太阳能电池技术，其超薄体积、成本低和有效率高的优势使其具有更广泛的应用前景，特别是用于智能手机、平板电脑、车载和畜牧业场景，都可以带来革新性的能源可再生应用。
有机太阳能电池
空穴传输层
电子传输层
选择合适的电子传输材料，如金属氧化物或 聚合物。
选择合适的空穴传输材料，如聚合物或有机 盐。
02
01
电极
选择导电性能良好的电极材料，如ITO或金 属。
04
03
活性层制备
溶液浇铸法
01
将活性物质溶解在适当的溶剂中，然后将其涂布在电极上，通
过蒸发溶剂形成薄膜。
真空蒸镀法
02
在真空条件下，将活性物质加热蒸发并沉积在电极上形成薄膜。
D
05 有机太阳能电池的应用前景
光伏发电
分布式能源
有机太阳能电池可应用于分布式光伏发电系统，为家庭、企业等提供可再生能 源，降低对化石燃料的依赖。
建筑集成
有机太阳能电池可以集成到建筑设计中，作为建筑材料的一部分，实现光伏发 电与建筑的一体化。
移动能源
电动汽车充电
有机太阳能电池可为电动汽车提供补充能源，实现边行驶边充电，延长电动汽车 的续航里程。
有机太阳能电池
目录
• 有机太阳能电池简介 • 有机太阳能电池的材料 • 有机太阳能电池的制造工艺 • 有机太阳能电池的优势与挑战 • 有机太阳能电池的应用前景
01 有机太阳能电池简介
定义与特点
定义
有机太阳能电池是一种利用有机材料 作为光电转换元件的太阳能电池。
特点
具有轻便、柔韧、可折叠、低成本等 优点，同时也有较高的光电转换效率 和稳定性。
喷墨打印法
03
使用喷墨打印技术将活性物质溶液按需打印在电极上，形成薄
膜。
器件组装
将制备好的活性层与其他传输层和电极进行有序叠加，形成完整的有机太阳能电池器件。
注意确保各层之间的紧密接触和有序叠加，以提高器件的整体性能。
高等有机化学-有机太阳能电池简介
优
结
势
构
工 作 原 理
材
展
料
望
优势
制作成本高 工艺复杂光电转化率高 技术成熟
Inorganic solar cells
利用可再生能源 绿色环保 Organic solar cells 制作工艺简单 质量轻 柔韧性好 价廉 重量轻 不含铅汞 污染小 Li-based cells 使用寿命长 利用不可再生能源
好的电子 传输能力
与共扼聚合物之间存在超快的电荷转移
制备性能优越的光伏电池器件
展望
OSCs 存在的问题：能量转化效率较低。
。
OSCs已公布的最高PCE达到11%，这与硅基太阳 能电池的能量转化效率（约为15%）仍有一定差距。
OSCs的能量转化率每年都在增长，相信在不久的将 来，这种节能环保、制作简单、使用轻便的电池将覆 盖整个市场。
构造
阴极
活性层
阳极
修饰层
玻璃基质
结构
电子给体+电子受体
（doner） （accepter）
Active layer 交界面 富电子 缺电子 电子 电子 给体 受体 (D) (A)
工作原理
活性层材料
活性层主要包括导电子型（n型）和导空穴型（p 型）。前者作为电子受体材料，富勒烯衍生物（PCBM）
Donor
accepter
常见的给体材料（Donor）
对给体材料的要求（Donor）
平面性
共轭
获得较小的光学带隙 制备性能优越的光伏电池器件
常见的受体材料（Accepter）
PCBM
ICBA
对受体材料的要求（Accepter）
高的电子迁移率
低的LUMO 能级
有机太阳能电池的分类
有机太阳能电池的分类有机太阳能电池是一种利用有机材料将太阳能转化为电能的装置。
根据其不同的结构和材料特性，有机太阳能电池可以分为有机聚合物太阳能电池、有机小分子太阳能电池和有机无机杂化太阳能电池三类。
有机聚合物太阳能电池是其中最常见的一种类型。
它由有机聚合物材料构成，具有较高的光吸收性能和良好的柔韧性。
有机聚合物太阳能电池的工作原理是，太阳光照射到光敏材料上时，光子的能量被转化为电子能量，从而产生电流。
这种电池具有制备简单、成本低廉的优点，可以在柔性电子器件、电子纸等领域得到广泛应用。
有机小分子太阳能电池是另一种常见的有机太阳能电池。
与有机聚合物太阳能电池不同，有机小分子太阳能电池采用小分子有机材料作为光敏层，其结构更加精细和复杂。
这种电池的工作原理是，光子的能量激发光敏材料中的电子，使其跃迁到导电层，从而形成电流。
有机小分子太阳能电池具有高效率和较长的寿命等优点，但其制备过程较为复杂，成本较高。
有机无机杂化太阳能电池是近年来发展起来的一种新型太阳能电池。
它采用有机物和无机物相结合的材料作为光敏层，兼具有机太阳能电池和无机太阳能电池的优点。
有机无机杂化太阳能电池的工作原理是，光敏材料中的有机分子吸收光子能量，将其转化为电子能量，然后通过无机材料的传导带将电子输送出来。
这种电池具有高效率、稳定性好的特点，是目前研究的热点之一。
除了以上三类主要的有机太阳能电池，还有一些其他类型的有机太阳能电池也在研究中。
例如，染料敏化太阳能电池利用染料分子吸收光子能量，将其转化为电子能量；有机薄膜太阳能电池利用有机材料的薄膜结构提高光电转化效率等。
这些有机太阳能电池在不同的应用领域具有各自的优势和局限性。
有机太阳能电池是一种重要的可再生能源装置，可以将太阳能转化为电能。
根据其结构和材料特性的不同，有机太阳能电池可以分为有机聚合物太阳能电池、有机小分子太阳能电池和有机无机杂化太阳能电池等多种类型。
这些电池在不同的应用领域具有各自的优势和适用性，为可持续能源的发展做出了重要贡献。
有机太阳能电池综述
2000年，5.R.Forrest研究小组通过在有机小分子制备的双层 结构太阳能电池器件的有机层和金属阴极之间插入 BCP(Bathocuproine)薄膜层，使得器件的光电转换效率提高 到了2.4%，并且改善了器件的伏安特性曲线，提高了器件 的稳定性。 2005年，A.J.Heeger等人采用在制备电极后再对器件进行热 退火处理的方法有效地提高了电池的能量转换效率，使其 光电转换效率达到了5%。 2007 年，2000 年诺贝尔化学奖获得者、美国加利福尼亚大 学的 Alan J. Heeger 教授领导的研究小组所制造的串联有机 太阳能电池，光电转换效率在实验室条件下达到了 6.5% 2009年 2 月，日本住友化学也宣布获得了 6.5%的转换效 率；同年 10 月，Solarmer Energy 公司又将这一效率提高至 7.6%
.有机太阳能电池的结构
1。肖特基型有机太阳能电池： 首例有机太阳能电池器件结构，基本的物理过程为: 有机半导体内的电子在太阳光照射下被从HOMO能级 激发到LUMO能级，产生电子一空穴对。电子被低功 函数的电极提取，空穴则被来自高功函数电极的电子 填充，从而形成光电流。 光激发形成的激子，只有在肖特基结的扩散层内，依靠节区 的电场作用才能得到分离。而其它位置上形成的激子，必须 先移动到扩散层内才可能形成对光电流的贡献。但是有机分 子材料内激子的迁移距离相当有限的，通常小于10nm。所 以大多数激子在分离成电子和空穴之前就复合掉了，导致了 其光电转换效率较低。
有机光伏材料具有不同于无机材料的几大特点：
.条件下,不能直接产生自由电子和自由空穴,而是产 生光生激子,激子在特定的条件下才能分离出自由 电子和自由空穴; 分子间力微弱,分子中价电子的最高已占轨道 (HoMO)和最低未占轨道(LUMO)不足以相互作用 形成整个材料的导带和价带,所以电荷以跳跃的方 式在定域状态形式的分子之间传输,而不是能带内 传输,所以其迁移率较低; 具有较高的光吸收系数和较窄的光波长吸收范围; 大多数有机光伏材料在水氧存在的条件下具有不 稳定性"
有机太阳能电池
<<深亚微米集成电路工艺技术报告>>题目：有机太阳能电池学院：电子科学与工程学院班级：26班学号：1211022602姓名：董程宏有机太阳能电池太阳能是一种取之不尽用之不竭的可再生资源, 不产生任何的环境污染, 为了能充分利用这种天然能源,人们研制和开发了太阳能电池. 太阳能电池的工作原理是利用光敏材料吸收光能后发生光电转换. 由于传统的无机半导体太阳能电池制备工艺精细, 造价昂贵, 不利于大规模推广. 正因为如此, 人们便开始寻求价格更加低廉、适于大规模推广的新型太阳能电池, 而有机太阳能电池便应运而生. 与无机半导体相比, 有机半导体的制造成本更低, 而且有机物太阳能电池的制备工艺简单, 材料价廉易得, 因此有机太阳能电池已经成为当前研究的热点.1 有机太阳能电池简介1.1 有机太阳能电池基本原理太阳能电池的基本原理是基于半导体异质结或金属半导体界面附近的光伏效应, 所以又称为光伏电池.当光子入射到光敏材料时, 激发材料内部产生电子和空穴对, 在静电势能作用下分离, 然后被接触电极收集,这样外电路就有电流通过. 有机太阳能电池利用的也是光伏效应. 在太阳光的照射下有机材料吸收光子, 如果该光子的能量大于有机材料的禁带宽度E, 就会产生激子(电子空穴对). 激子的结合能大约为0.2～1.0 eV, 高于相应的无机半导体激发产生的电子空穴对的结合能,因此激子不会自动解离. 两种具有不同电子亲和能和电离势的材料相结触, 接触界面处产生接触电势差, 可以驱动激子解离. 单纯由一种纯有机物夹在两层金属电极之间制成的肖特基电池效率很低, 后来将p 型半导体材料(施主Donor)和n 型半导体材料(受主Acceptor)结合,发现两种材料界面处激子的解离非常有效, 这就是通常所说的p-n 异质结型太阳能电池.一般用来评价太阳能电池的指标有:开路电压( V oc )、短路电流密度( Jsc ) 、填充因子( FF) 、光电转换( IPCE)、能量转换效率(η)。
浅谈有机太阳能电池与无机太阳能电池
浅谈有机太阳能电池与无机太阳能电池杨红旭10013203测绘工程10级2班摘要：有机太阳能电池作为一种新兴的有着巨大潜力的光电转换器件，吸引了越来越多的关注。
本文主要比较有机太阳能电池与无机太阳能电池在生产成本、工作原理和光电转换效率等方面的区别。
并展望了有机太阳能电池发展的广阔前景。
关键词：有机太阳能电池无机太阳能电池生产成本工作原理光电转换率一、引言现今占主导地位的太阳能电池是以无机半导体为主要材料制成，自太阳能电池商业应用以来，单晶硅、多晶硅和非晶硅系列应用最为广泛。
经过多年来的发展，硅基太阳能电池相关的技术已有了长足的进步，但依然没有脱离通过氧化－还原反应来提纯硅的方法，这一过程必然会使晶体硅太阳能电池制造能耗大、污染高、工艺复杂且生产设备昂贵。
而有机半导体材料由于具有制作成本低、易制作、质量轻、富有弹性等特点，引起越来越多的关注，目前学者已在研究如何在电子器件中将现有的昂贵无机半导体材料用有机半导体材料加以代替，其中就包括有机太阳能电池的研究。
本文就有机太阳能电池与无机太阳能电池在生产成本、工作原理和光电转换效率等方面的区别做简单的分析。
并展望了有机太阳能电池发展的广阔前景。
二、生产成本2.1无机太阳能电池的生产成本晶体硅太阳电池成本受生产规模和技术水平影响，各个企业生产消耗有较大差别，我们以每100W，硅太阳电池行业大致平均消耗水平来计算评估晶体硅太阳电池生产消耗。
IOOW 功率硅太阳电池计算的材料消耗见表1。
表1 100W 晶体硅太阳电池的材料消耗情况表注：表1消耗品体硅材料是指托制的单晶和铸锭多品硅，消耗多品硅材料是指生产上述单品和铸锭多品硅需要的太阳能级多品硅材料。
根据表1我们可以看出，单品硅太阳电池材料消耗晶体硅达到1500～1 600g／J00峰瓦，而多品硅太阳电池仅消耗多品硅l 100～1 300g／100峰瓦。
根据行业平均消耗计算的100峰瓦功率硅太阳电池的制造能源参考值见表2；其中包括，材料制造能耗、晶体硅太阳电池切片、表面材料、扩散、封装的能耗(有关计算过程略)。
有机太阳能电池缩写
有机太阳能电池缩写OPV，全称有机光伏（Organic Photovoltaic），也被称为柔性太阳能电池，是一种基于有机化合物的太阳能电池。
有机太阳能电池最早由美国洛杉矶加州大学的Alan J.Heeger教授、日本东京大学的HiroshiImahori教授和英国剑桥大学的Richard H.Friend教授等人在1980年代中期独立发现，并于1990年代进一步研发，成为了当今太阳能电池领域的一个重要子分支。
有机太阳能电池的特点主要包括以下几个方面：1. 柔性性能：由于有机太阳能电池基于塑料等柔性材料制成，可以具备出色的柔性性能，可以被弯曲、拉伸、折叠，使其在一定程度上可以适应各种不同的形状需求。
2. 轻薄透明：有机太阳能电池通常是透明、轻薄的，这些特点使得它在未来的各种领域都有广泛的运用前景。
3. 成本低廉：相比于传统的硅基太阳能电池，有机太阳能电池的成本较低，这使得它可以通过消费性电子产品市场进一步推广。
4. 可降解性：与传统的硅基太阳能电池不同，有机太阳能电池由于使用的材料是有机化合物，因此可以通过类似于生物降解的方式进行回收和再利用，具备更好的环保性能。
有机太阳能电池在不同的应用领域都有着广泛的前景。
自从有机太阳能电池提出以来，各种新的有机材料都被用来制造有机太阳能电池。
目前，有机太阳能电池主要被应用于以下几个方面：1. 可穿戴电子：有机太阳能电池可以被应用于可穿戴电子设备，例如智能手表和健康监测器等。
通过柔性性和轻薄透明的特点，有机太阳能电池可以制成更为方便舒适的可穿戴电子产品。
2. 智能家居：有机太阳能电池也可以被应用于智能家居产品，例如电动卷帘和智能窗帘等。
通过其柔性性能和轻薄透明的特点，有机太阳能电池可以被制成更为方便好用的智能家居电子产品。
3. 农业领域：有机太阳能电池可以被应用于农业领域，例如可移动太阳能灯塔，可以为农村地区提供光照和电力服务。
总体来说，有机太阳能电池目前的技术发展尚处于探索和研究阶段，但是它的柔性性能和成本优势使其在消费电子、智能家居和农业领域等方面具备广泛的应用前景。
有机太阳能电池的结构和基本工作原理
有机太阳能电池的结构和基本工作原理
有机太阳能电池是一种新型的太阳能电池技术，其结构和基本工作原理如下：
1. 结构：
有机太阳能电池由多层薄膜组成，包括透明导电玻璃基底、导电层、有机半导体薄膜、阳极和阴极层等。
2. 基本工作原理：
（1）太阳光吸收：有机太阳能电池中的有机半导体薄膜主要
起到吸收光能的作用，这些有机材料能够吸收较宽的光谱范围，包括可见光和红外光。
（2）载流子产生：当有机半导体吸收光能后，光能会激发材
料内部的分子，产生自由的电子和空穴（缺电子的位置）。
（3）电荷分离：产生的电子和空穴会被电场分离，电子朝阳
极流动，而空穴朝阴极流动。
这个过程主要依靠有机材料中的界面和电场效应。
（4）电流输出：通过电连接，阳极和阴极之间的电子流就可
以形成一个电流。
这个电流可以用来进行电力输送或供电。
需要注意的是，有机太阳能电池虽然具有制造成本低、制备过程简单等优势，但其效率相对较低，通常在光电转换效率上还有待改进。
有机太阳能电池
有机化合物太阳能电池随着全球能源需求量的逐年增加,能源问题成为世界各国经济发展遇到的首要问题。
太阳能作为一种绿色能源,取之不尽,用之不竭,是各国科学家开发和利用的新能源之一.1954年,美国的贝尔研究所成功地研制出硅太阳能电池,开创了光电转换研究的先河。
之后关于太阳能电池的研究迅速发展起来, 最初主要集中于以单晶硅为活性材料的无机太阳能电池。
20世纪90年代又发展了砷化镓、碲化镉以及叠层GaInP/GaAs/Ge等器件,它们由单晶、多晶或非晶薄膜构成。
由于无机太阳能电池原料成本高,生产工艺复杂和窄带隙半导体的严重光腐蚀使太阳能发电不能大面积推广。
要使太阳能发电得到大规模应用,就必须降低成本。
有机半导体材料是最为廉价和最有发展潜力的太阳能电池材料,其优势表现为: 一方面,由于有机材料合成成本低,功能和结构易于调制,柔韧性及成膜性都较好；另一方面,由于有机太阳能电池加工过程相对简单,可低温操作,器件制作成本也随之降低。
除此之外,有机太阳能电池的潜在优势还包括:可实现大面积制造、可使用柔性衬底、环境友好、轻便易携等,有望应用在手表、便携式计算器、玩具、柔性可卷曲系统等体系中为其提供电能。
1.有机太阳能电池简介1.1有机太阳能电池基本原理太阳能电池的基本原理是基于半导体异质结或金属半导体界面附近的光伏效应,所以又称为光伏电池。
当光子入射到光敏材料时,激发材料内部产生电子和空穴对,在静电势能作用下分离,然后被接触电极收集,这样外电路就有电流通过. 有机太阳能电池利用的也是光伏效应。
在太阳光的照射下有机材料吸收光子,如果该光子的能量大于有机材料的禁带宽度E,就会产生激子(电子空穴对)。
激子的结合能大约为0.2～1.0eV,于相应的无机半导体激发产生的电子空穴对的结合能,因此激子不会自动解离。
两种具有不同电子亲和能和电离势的材料相结触,接触界面处产生接触电势差,可以驱动激子解离。
单纯由一种纯有机物夹在两层金属电极之间制成的肖特基电池效率很低，后来将p型半导体材料(施主Donor)和n型半导体材料(受主Acceptor)结合,发现两种材料界面处激子的解离非常有效,这就是通常所说的p-n异质结型太阳能电池。
有机太阳能电池..
一个完整的体异质结太阳能电池将 吸收的光子转化成电子的工 作过程
有机太阳能电池优缺点
优点 • • 成本低 质量轻 缺点 •效率低 • 寿命短
•
• • • •
材料来源广泛
制备工艺简单 可做在柔性衬底上 可大面积生产 材料的光及电特性可调整
有机太阳能电池前景
虽然有机太阳能电池的供电效率不如传统池 的效率高，但是他的造价低廉而且还有多样 性的用途，所以它的前景一片光明！具有以 下优点： 与传统单晶硅太阳能电池相比，有机太阳能 电池制作成本低，并且生产过程中污染较小， 电池加工过程相对简单，可低温操作 可实现大面积制造、可使用柔性衬底、环境 友好、轻便易携等.因而有望在手表、便携 式计算器、半透光式充电器、玩具、柔性可 卷曲系统等体系中发挥供电作用。
有机太阳能电池
有机太阳能电池的简介：
定义：有机太阳能电池，就是由有机材料构成核心部分， 基于有机半导体的光生伏特效应，通过有机材料吸收光 子从而实现光电转换的太阳能电池。
发展历程和现状：
1958：第一个有机光电转化器件由Kearns和Calvin制备 成功，其主要材料为镁酞菁（MgPc），夹在两个功函数 不同的电极之间。在那个器件上，他们观测到了200 mV 的开路电压。 1986：华人邓青云博士，改进了器件核心结构，由四羧 基苝的一种衍生物（PV）和铜酞菁（CuPc）组成的双 层膜。他制备的太阳能电池，光电转化效率达到1％左右。
肖特基势垒型太阳能电池是早期太阳能研 究方面的重点，电池结构为夹层式的结构： 玻璃)、金等，而金属阴极材料通常用低功 函数的铝、银、钡、铟、Mg：Ag合金、金 等材料，有机材料被央在这两种电极之间， 它与其中的一个电极形成肖特基势垒，与 另外的一个电极形成欧姆接触
有机柔性太阳能电池课件
具有轻便、可弯曲、可穿戴、可 印刷等优点，同时有机材料来源 广泛，成本低廉，适合大规模生 产。
工作原理
工作原理
有机柔性太阳能电池利用光电效应将太阳光转化为电能。当太阳光照射到有机材 料上时，光子能量被吸收并传递给电子，电子从束缚态跃迁至自由态，形成电流 。
光电效应
光电效应是指光子照射在物质上时，物质吸收光子能量并释放电子的现象。在有 机柔性太阳能电池中，有机半导体材料作为光敏剂吸收太阳光，产生电子-空穴 对，电子和空穴在电场的作用下分离，形成光电流。
光电性能
光电转换效率
有机柔性太阳能电池的光电转换 效率是其重要的性能指标，主要 受到材料、结构、工艺等因素的
影响。
光谱响应范围
有机柔性太阳能电池的光谱响应范 围越宽，其光电转换效率越高，能 够吸收更多的太阳光。
光照稳定性
有机柔性太阳能电池在光照下的稳 定性也是其重要的性能指标，能够 保证其在长时间使用过程中性能的 稳定。
02
有机柔性太阳能电池的材料
有机半导体材料
有机半导体材料是柔性太阳能电池的重要组成部分，它们具有轻便、可弯曲和可折 叠的特性，能够适应不同形状和结构的电池设计。
有机半导体材料的种类繁多，包括共轭高分子、聚合物、小分子等，它们可以通过 不同的合成方法获得。
有机半导体材料的性能与太阳能电池的光电转换效率和稳定性密切相关，因此选择 合适的有机半导体材料是制造高性能柔性太阳能电池的关键。
金属电极材料
金属电极材料在有机柔性太阳能 电池中起到导电的作用，它们需 要具有良好的导电性能和可弯曲
性。
常用的金属电极材料包括铜、银 、铝等，这些金属材料具有较高 的导电性能和稳定性，能够满足
柔性太阳能电池的需求。
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有机太阳能电池研究（东南大学化学与化工学院，江苏南京 211189）摘要:为了减轻当前能源危机所带来的压力,各国在太阳能电池等清洁能源领域投入了大量的人力、物力和财力。
由于有机太阳能电池具有独特的优点(有机材料易于修饰,器件制备方法简便且可制备出柔韧器件)，并且随着相关研究的深入, 有机太阳能电池的能量转换效率逐步得到提高。
关键词:有机太阳能电池,工作原理,结构,材料1 引言能源是目前世界上人们最为关注的问题之一，地球上已探明的化学燃料能源,如石油、天然气、煤等,日趋枯竭。
同时化学燃料能源的使用,有毒气体和温室气体的大量排放对生态环境产生了严重的破坏。
针对于此,众多国家纷纷提出了各自的绿色再生能源计划。
太阳能是目前世界上可以开发的最大能源,而且洁净无污,日益成为绿色能源的首选。
光伏器件可以直接将太阳能转化成电能,是太阳能利用的重要手段。
有机太阳能电池(organic solar cells , OSCs)领域就是目前研究的热点之一,因为有机太阳能电池有着自身的优点:主体有机材料可以通过不同的分子修饰,优化有机材料的光伏性能；器件的制备方法简便,成本低廉；易于制备出大面积且柔韧性好的有机光伏器件。
早在上世纪70年代,人们就观察到有机小分子的光生伏打效应[1]之后,聚合物太阳能电池也随之诞生[2],但当时所制备的太阳能电池效率还很低,远远不能满足商业化需求。
直到1986年,美国EastmenKodak公司的邓青云博士将双层异质结构引入到太阳能电池结构中,器件效率才得到了大幅度提高,人们也看到有机太阳能电池商业化的美好前景[3]。
现阶段,有机太阳能电池的研究主要着眼于两个大方向,即新型有机功能材料的研究、开发与有机光伏器件结构的优化。
这两个方面相辅相成,共同提高了有机太阳能电池的光伏性能。
2 太阳能电池的工作原理太阳能电池的基本原理是基于半导体异质结或金属半导体界面附近的光伏效应,所以又称为光伏电池。
当光子入射到光敏材料时,激发材料内部产生电子和空穴对,在静电势能作用下分离,然后被接触电极收集,这样外电路就有电流通过。
有机太阳能电池利用的也是光伏效应。
有机太阳能电池的工作原理一般包括以下几个过程:(1)在太阳光照下，能量大于有机半导体材料禁带宽度的光子首先被吸收,此时处于HOMO(材料的最高占据轨道)能级的电子会被激发到LUMO（材料的最低空置轨道）能级上，而与之相关联的空穴则占据轨道较低的HOMO能级；(2）形成的电子-空穴对之间的库仑力较大，它们会以束缚的形式存在,称为激子；(3)当激子处于电场处或界面处时,在能级差的作用下这些激子就会分离形成自由的电子和空穴,并分别向阴极和阳极运动,形成光电流。
一般认为，有机太阳能电池的物理过程包括:(1)光的吸收和激子的产生太阳光通过透明或者是半透明的电极材料进人到有机材料中，光被有机材料吸收后激发有机分子，从而产生激子。
(2)激子的扩散和解离激子产生后因浓度的差别而在材料中产生扩散运动，一部分激子扩散到达解离界面后被拆分为电子和空穴。
在这一过程中，影响激子解离的因素主要是激子的寿命和激子的扩散长度以及材料的结晶性能。
(3) 载流子的收集激子被拆分后产生的自由载流子必须被正、负电极分别收集才能够为器件光电流做贡献。
有效的载流子分离需要一定的电场作用。
在有机太阳能电池器件中，它由阴、阳极材料的功函数差值来提供。
3 有机太阳能电池分类电池的顶部为玻璃基底，在玻璃基底上镀有一层可透光的金属电极，一般为铟锡氧化物(ITO)。
与ITO电极接触的是有机半导体层，厚度一般为0.1~1μm，最后在有机半导体上镀上一层不透明的金属作为背电极。
当外部负载通过金属导线与两个电极相连时,就形成了一个完整结构的太阳能电池。
按照有机半导体层材料的差别，有机太阳能电池可分为单层结（单一有机或共轭聚合物材料)结构、双层（给体-受体）异质结结构和本体（给体-受体共混,包括共轭聚合物-无机半导体纳晶复合型)异质结结构[3]。
3.1 单层结结构太阳能电池单层结结构有机太阳能电池是研究最早的有机太阳能电池[4]，其电池结构为玻璃/金属电极/染料/金属电极。
单层结结构有机太阳能电池工作原理是由于两金属电极功函不同,电子从低功函的金属电极穿过有机层到达高功函电极，而产生光电压形成光电流,其光伏特性取决于载流子的浓度。
但由于电子与空穴在同一材料中传输因而复合几率较大，所以单质结结构有机太阳能电池的光电转换效率较低。
一般常用各种有机光伏材料均可被制成此类有机太阳能电池，如酞青类化合物、青染料、叶绿素、导电聚合物等有机材料。
3.2 异质结结构太阳能电池异质结结构是指在给体和受体分子层之间插入一层激子中间层，使产生的电子和空穴载流子向受体和给体层迁移，形成双异质结多层结构。
由给体和受体对材料组成的高聚物体系在本质上可以获得像半导体一样的P-N结。
P-N 异质结结构有机太阳能电池较单质结构有机太阳能电池的光电转换效率要高。
制作此类P-N结电池可选用的有机材料较多,以前所用最多的是以酞青类化合物为P型半导体,以北四甲醛亚胺化合物N型半导体。
近些年来用聚合物作传输电子有机层的研究较多，新出现了利用碳纳米管、无机化合物半导体纳米颗粒作为受体材料以及C60和C60的衍生物作为受体材料。
3.3 本体异质结结构太阳能电池本体异质是指将给体和受体分子混合在一起，在整个器件内形成一个异质结体系。
单纯的异质结结构由于接触面积有限，使得产生的光生载流子有限。
为了获得更多的光生载流子必须扩大异质结构的接触面积。
于是人们构造了本体混合的异质结构。
本体异质结结构有机太阳能电池是近年来研究的热点,具有巨大的开发潜力,其电池结构为玻璃/ITO/A+D混合材料/金属电极。
3.4 染料敏化太阳能电池宽带隙半导体捕获太阳光的能力很差,无法直接用于太阳能的转换。
研究发现, 将与宽带隙半导体的导带和价带能量匹配的一些有机染料吸附到半导体表面上，利用有机染料对可见光的强吸收,从而将体系的光谱响应延伸到可见区,这种现象称为半导体的染料敏化作用[5]。
1991年,Grätze小组[6]报道了一种基于吸附染料光敏化剂的低成本、高效率的纳米晶体多孔膜的新型太阳能电池。
1998年Grätzel小组[7]又成功制备了全固态染料敏化纳米晶太阳能电池,克服了因液态电解质存在的一系列问题。
其他学者也对此类太阳能电池进行了研究。
2003年2月的Nature上报道了一种新结构的染料敏化太阳能电池,该电池具有多层结构:染料(汞红)-金(10～50nm)-二氧化钛(200nm)-钛,使得内光电转换效率可达到10%。
染料敏化层对降低电极的禁带宽度、增强其吸收太阳光的能力、提高转换效率具有重要的作用。
因此敏化剂的选择是制作染料敏化太阳能电池的重要环节。
常用的敏化剂除联吡啶配合物以外,还有酞菁类金属配合物、邻菲咯啉类配合物、卟啉类配合物等。
有机染料来源丰富,具有高的光吸收率,而且具有多样化结构,为人们进行分子设计提供了可能。
4 有机太阳能电池材料有机太阳能电池材料种类繁多，可大体分为四类:小分子太阳能电池材料、大分子太阳能电池材料、D-A体系材料和有机无机杂化体系材料.4.1 有机小分子太阳能电池材料有机小分子光电转换材料具有低成本、可以加工成大面积的优点,同时有机小分子的合成、表征相对简单，化学结构容易修饰,可以根据需要增减功能基团，而且可以通过各种不同方式互相组合，以达到不同的使用目的。
利用有机小分子材料可以恰当地模拟生物体内功能分子的作用，给光电转换机理研究和结构与性能的关系研究带来了许多方便之处。
肖特基电池是最早期的有机太阳能电池，即在真空条件下把有机半导体染料如酞菁等蒸镀在基板上形成夹心式结构。
这类电池对于研究光电转换机理很有帮助，但是蒸镀薄膜的加工工艺比较复杂，有时候薄膜容易脱落，因此又发展了将有机染料半导体分散在聚碳酸酯 (PC)、聚醋酸乙烯酯( PVAC)、聚乙烯卡唑(PVK)等聚合物的技术。
然而这些技术虽然能提高涂层的柔韧性,但半导体的含量相对较低，使光生载流子减少，短路电流下降。
酞菁类化合物是典型的p型有机半导体,具有离域的平面大π键,在600～800nm的光谱区域内有较大吸收。
同时芘类化合物是典型的电子受体也就是n型半导体材料,具有较高的电荷传输能力,在400～600nm光谱区域内有较强吸收,下展示了目前被广泛用作有机太阳能电池的电子受体材料。
2001年,剑桥大学的Friend等人在Science杂志上报道了利用共轭盘状液晶分子HBC2PhC12作为电子给体和芘类化合物PTCBI作为电子受体共同溶解于氯仿中,旋转涂膜,制成器件ITO/HBC2PhC12：PTCBI/Al，在490nm处外量子效率达到34%，能量转换效率达到1.95%。
图：常见的小分子太阳能电池材料4.2 有机大分子太阳能电池材料在过去的几十年间,人们将具有半导体性质的有机大分子化合物(共轭聚合物)制成各种光电器件,尤其是对电致发光二极管进行了研究。
使基于共轭聚合物的有机太阳能电池从20世纪90年代起得到了迅速的发展。
有机大分子材料是目前正在迅速崛起的一种新的光电转换材料，它的优点在于成本低，制作方便，易于推广普及。
从发展趋势上来看，此类材料有望成为新一代的太阳能电池材料。
图：用作有机太阳能电池的化合物结构示意图1998年，Friend研究小组在聚合物光诱导电荷转移光电池的研究获得了重大的发展，Nature杂志报道了他们用聚噻吩衍生物POPT作为电子给体，用聚亚利用层压技术制成光电池器件。
由于要获得稳定高苯基乙烯MEH-CN-PPV取代C60迁移率的状态,POPT必须经过热处理或溶剂处理,这可以有效地减少单层共混POPT:MEH-CN-PPV相分离,从而效率大致只与纯MEH-CN-PPV器件相当。
为此利用层压技术制得双层器件结构ITO/POPT:MEH-CN-PPV(19∶1)/Al的能量转换效率在模拟太阳光下为1.9%。
2003年，Takahashi等人将聚噻吩衍生物PTh与光敏剂卟啉H2PC共混后与芘衍生物PV制成双层膜器件，在430nm处的能量转换效率最高达到了2.91%。
图：双层膜结构化合物结构式及器件示意图4.3 D-A 二元体系通过物理复合手段获得的共轭聚合物/C60互渗双连续网络结构，对复合膜的形态非常敏感，同时制成的膜还是存在着一定的结构上的缺陷，有时还会出现两相分离的区域，从而降低了电荷分离效率。
后来，人们研究发现，将给体和受体通过共价键连接，可以提高其能量的转化率。
2002年，Otsubo将齐聚噻吩连接到C60上，发现噻吩链越长，共轭程度越高，氧化电位越低，稳定光诱导电荷转移生成的正离子自由基的能力越强。