有机太阳能电池研究进展(1)

专题介绍

有机太阳能电池研究进展

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林　鹏,张志峰,熊德平,张梦欣,王　丽

(北京交通大学光电子技术研究所,信息存储、显示与材料开放实验室,北京,100044)

摘　要:有机太阳能电池与无机太阳能电池相比,还存在许多关键性问题。为了改善有机太阳能电池的性能,各种研究工作正在进行,这些研究主要是为了寻找新的材料,优化器件结构。对电池原理、部分表征方法、效率损失机制、典型器件结构、最近的发展、以及未来的发展趋势作了简要描述。

关键词:有机太阳能电池;器件结构;给体;受体;转换效率

中图分类号:T N 383 文献标识码:A 文章编号:1005-488X(2004)01-0055-06

Progres s in Study of Organic Sola r Ce ll

LIN Peng ,ZHANG Zhi -feng ,XIONG De -ping ,ZHANG Meng -xin ,WANG Li

(I nstitute of O p toelectronics T echnology ,Beij ing J iaotong University ,Beijing ,100044,China )Abstr act :Compaer ed with inorganic solar cells ,organic solar cells still have many critical pr oblems.In order to improve the properties of organic solar cells,a lot of different studies have been carried on.T he main purposes of these studies are to seek new mater ials and new device structure.A brief review of the theory of photovoltaic cells,along with some aspects of their characterization ,the basic efficiency loss mechanism ,typical device structures ,and the trends in research will be presented.

Key wor ds :organic photovoltaic cell;device structure;donor;acceptor ;conversion effi-ciency

前　言

进入21世纪以来,由于煤、石油、天然气等自然资源有限,已经不能满足人类发展的需要。环境污染也已经成为亟待解决的严重问题。同使用矿物燃料发电相比,太阳能发电有着不可比拟的优点。

太阳能取之不尽,太阳几分钟射向地球的能量相当

于人类一年所耗用的能量。太阳能的利用已经开始逐年增长。但目前使用的硅等太阳能电池材料,因成本太高,只能在一些特殊的场合如卫星供电、边远地区通信塔等使用。目前太阳能发电量只相当于全球总发电量的0.04%。要使太阳能发电得到大规模推广,就必须降低太阳能电池材料的成本,或

第24卷第1期2004年3月 光　电　子　技　术OPT OELECT RONIC T ECHNOLOGY Vol.24No.1

Mar.2004

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收稿日期:2003-11-17

作者简介:林　鹏(1978-),男,硕士生。主要从事光电子技术研究。

张志峰(1977-),男,硕士生。主要从事有机电致发光(OLED)的研究工作。熊德平(1975-),男,硕士生。主要从事无机半导体材料方面的研究工作。

找到更廉价的太阳能电池材料。

有机小分子及聚合物材料(即塑料)是人们正在考虑的一类替代材料。目前用有机材料制备太阳能电池是国际范围内的研究热点之一。黑格等人因发明导电塑料而获2000年诺贝尔化学奖。改善太阳能电池的性能,降低制造成本以及减少大规模生产对环境造成的影响是未来太阳能电池发展的主要方向。有机太阳能电池制备工艺简单,可采用真空蒸镀或涂敷的办法制备成膜。并且可以制备在可卷曲折叠的衬底上形成柔性的太阳能电池,如图1所示[1]

。用有机材料制备太阳能电池与硅太阳能电池相比具有制造面积大、廉价、简易、柔性等优点。目前有机太阳能电池在特定条件下光电转换率已达9.5%[2]。人们预期,未来5～10年,第一代有机

太阳能电池可进入市场。

图1　塑料有机太阳能电池

F ig.1　A fully flexible large-ar ea plastic solar cell

1　原理和参数

有机太阳能电池利用的也是光伏效应[3]。有机太阳能电池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 g ,就会使得产生激子。图2就是给体-受体(Donor -Acceptor )结构。受激发的电子给体吸收光子,其HOMO 轨道上的一个电子跃迁到LUMO,通常由于给体LU MO 的电离势比受体LUMO 的电离势低,电子就由给体转移到受体,完成了电子的转移。激子分离后产生的电子和空穴向相反的方向运动,被收集在相应的电极上,就形成了光电压。

描述有机太阳能电池性能的主要参数有:1.短路电流I sc ,开路电压V oc 。这两个参数都是在已知功率(W )

和能量的光照下测量的。

图2　有机太阳能原理图

F ig.2　The principal diagr am of organic solar cells

2.用来表示由于器件的电阻而导致的损失的参数FILL 因子(F F )

FF =

(I V )max I sc V oc

3.表示电池主要性能的参数能量转换效率

(G P )

G P =

P o u t P in =(I V )max

LA

G P =F F

I sc V o c

LA

4.外量子效率(EQE)

EQE =

外部电路电子数

入射光子数

通过测量电流-电压曲线(I -V )(如图3)和电

流-

光谱响应曲线来描述电池的性能。

图3　电压-电流曲线(I -V )Fig.3　T he curve of t he voltage-curr ent

2　材料特性

目前常用的有机材料主要是小分子材料和高分子聚合物材料。

有机小分子光电转换材料具有低成本可以加

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光 电 子 技 术第24卷