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

2.1激子概念

在有机半导体材料中，分子之间只有很弱的德华作用力，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，不能转移到其他分子上。因此，有机分子在光激发后会形成较为稳定的空穴-电子对，亦即激子。既然激子是没有分离的空穴-电子对，要实现光电转化，就要将这一对空穴与电子分离开。在有机太阳能电池中，激子的分离意味着电子从一个分子转移到另一个分子上，从化学角度看，就是发生了氧化还原反应。

2.2有机太阳能电池光电转化过程关键步骤：

1)电子给体吸收入射光，形成激子；

2)激子扩散到电子给体与电子受体的界面上；

3)激子在给体/受体的界面上被分离（即发生氧化还原反应）；

4)分离后的电子和空穴被传导到阴极和阳极上。

图1: 有机异质结型太阳能电池的能级结构（a) 和工作原理（b)

3.有机太阳能电池材料

3.1有机小分子化合物

有机小分子太阳能电池材料都具有一定的平面结构, 能形成自组装的多晶膜. 这种有序排列的分子薄膜使有机太阳能电池的迁移率大大提高. 常见的有机小分子太阳能材料有并五苯、酞菁、亚酞菁、卟啉、菁、苝和 C60 等。并五苯是五个苯环并列形成的稠环化合物,是制备聚合物薄膜太阳能电池最有前途的备用材料之一. 酞菁具有良好的热稳定性及化学稳定性, 是典型的p 型有机半导体, 具有离域的平面大π键, 在 600～800nm 的光谱区域有较大吸收。卟啉具有良好的光稳定性, 同时也是良好的光敏化剂. 苝类化合物是典型的 n 型材料,具有电荷传输能力, 其吸收围在 500 nm左右C60 分子中存在的三维高度非定域电子共轭结构,使得它具有良好的电学及非线性光学性能, 其电导率为10－ 4 S/cm, 成为异质结电池中使用最多的小分子电子受体材料

图2：常见小分子材料结构图

3.2 有机大分子化合物

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，对电致发光二极管进行了研究，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。

3.2.1富勒烯衍生物

由于C60特殊笼形结构及功能, 将 C60作为新型功能基团引入高分子体系, 得到具有导电性和光学性质优异的新型功能高分子材料. C60引入高分子的主链、侧链, 形成富勒烯的衍生物经过改良的 C60,PCBM ([6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯)具有较好的溶解性,被广泛应用于聚合物器件中.

图3：一些富勒烯衍生物的结构图

3.2.2聚对亚苯基亚乙烯及其衍生物

聚对亚苯基亚乙烯[poly(phenylene vinylene), PPV]及其衍生物是近年来广泛研究的一类共轭聚合物材料, 通常作为给体. 代表性材料是 MEH-PPV, 具有较好的溶解性, 禁带宽度(2.1 eV)适中. MEH-PPV 的空穴迁移率高, 但电子迁移率较低。

图4：一些 PPV 衍生物的结构图

聚噻吩(PTh)及其衍生物是良好的导电聚合物, 也是近年来在有机太阳能电池中广泛研究的一类给体材料。噻吩类材料可以“头尾相连”形成有序薄膜, 从而具有较高的迁移率, 有利于载流子的传输。薄膜生长速度慢时, 自组织程度高,迁移率高.另外, 热处理可以改善含噻吩类活性材料的薄膜形貌和增加结晶度等使ηp 提高。溶剂对噻吩薄膜性能也有一定的影响。

图5：一些聚噻吩衍生物的结构图

3.2.4含氮共轭聚合物

含氮的共轭聚合物也是一类较常见的有机太阳能电池材料, 主要包括聚乙烯基咔唑(PVK)、聚吡咯(PPy)和聚苯胺(PAn). 聚乙烯基咔唑(PVK)侧基上带有大的电子共轭体系, 可以吸紫外光, 激发出的电子可以通过相邻苯环形成的电荷转移复合物自由迁移. 聚吡咯(PPy)具有电导率高, 易于制备及掺杂、稳定性好、电化学可逆性强的特点

图6：含氮共轭聚合物的结构图