光学前沿应用(有机太阳能电池)

光学前沿应用
-有机太阳能电池
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引言
随着目前能源一步步的耗竭，有机太阳能电池领域已成为热点之一，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从而优化有机材料的光伏性能; 器件的制备方法简便, 成本低廉。

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。

关键词
P-N结、转换效率、ITO阳极、禁带宽度、载流子
太阳能电池结构与原理
太阳能电池的工作原理是基于半导体的异质结或金属半导体界面附近的光生伏打效应。

就典型的光电池而言, 是p型和n型半导体材料匹配而成器件, 在这两者之间形成p-n 结。

从n型半导体漂移而来的电子填充p型半导体漂移而到达结的空穴。

在足够的能够克服半导体禁带宽度的外界能量源(如电能和光子) 影响下, 自由电子和自由空穴就能够分别产生于n型和p型半导体材料。

这些电子和空穴就向p-n 结运输并扩散通过p -n 结,并且继续朝着相反的方向运输直到它们到达半导体的另一边被某种导体吸收。

在半导体体系, 光引发电流的电压是依据使用材料禁带带隙宽度的大小而设定, 而光引发电流是由入射到光电池的光强而确定。

禁带宽度越大, 电子产生的势能也就越大。

这类体系能量的损失来源于诱获过程——带电载流子与中间能态在半导体缺陷处结合。

改图为有机太阳能电池的基本过程图：
有机半导体吸收光子产生电子空穴对(激子) ,激子的结合能大约为0. 2～1. 0eV,高于相应的无机半导体激发产生的电子空穴对的结合能,所以电子空穴对不会自动解离形成自由移动的电子和空穴,需要电场驱动电子空穴对进行解离。

两种具有不同电子亲和能和电离势的材料相接触,接触界面处产生接触电势差,可以驱动电子空穴对解离。

单纯由一种纯有机化合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(电子给体(Donor) ,以下简记为D)和n型半导体材料(电子受体(Acceptor) ,以下简记为A)复合,发现两种材
料的界面电子空穴对的解离非常有效,光激发单元的发光复合退活过程有效地得到抑制,导致高效的电荷分离。

也就是通常所说的p-n异质结型太阳能电池。

目前D（电子给体）和A（电子受体）的组合有3种结构:双层膜、共混膜体系和层压膜体系。

不同的材料根据自身的特点采用不同的结构,以使光电转换效率达到最高。

在双层膜结构中D和A先后成膜附着在正负极上。

D层或者A层受到光的激发生成激子,激子扩散到D层和A层界面处发生电荷分离生
成载流子,然后电子经A层传输到电极,空穴经D层传输到对应的电极。

目前的研究发现激子的扩散距离仅有10nm,所以双层结构中膜的有效厚度为20nm左右。

因此载流子需要在两层中传输一段距离才能到达电极进行收集。

双层膜结构所能提供的界面面积非常有限,而且有机半导体的电阻比较大,电荷在输运的过程中很容易复合,从而限制了光电效率的提高。

共混膜体系是将D和A按照一定的比例混合,溶解于同一种溶剂中制成薄膜,由于D相和A相互相渗透并各自形成网络状连续相,光诱导所产生的电子和空穴可以分别在各自的连续相中传输到达各自对应的收集电极。

给体和受体的接触面积大大提高,光生载流子在到达电极之前复合的几率大为降低。

在该体系中,微相分离的互相渗透的连续网络对光电特性有着重要意义。

层压体系是先将D和A分别附着在相应的电极和玻璃衬底上,让D和A先形成自己的连续相,并保证和对应收集电极的有效接触,然后再将二者通过压力粘合在一起。

在粘合过程中, D和A互相渗透形成微相分离的互相渗透的连续网络结构,提供了电荷分离所需要的大量界面。

但是这种体系需要特殊的层压技术,技术操作相对比较复杂。

有机太阳能电池特性参数
性能和光谱特性以及电流- 电压(E-I)和电流-光谱响应曲线。

值得一提的是短路电流Isc 和开路电压Voc 两个参数, 这两个参数都是在已知
功率(W ) 和能量的光照下测量。

如果FLL 因子(填充因子FF) (表
征由于器件的电阻而导致的损失) 已知, 由公式η=( Isc·Voc·FF)/W 可以估计转换效率。

当光电池的两个电极没有相互连结回路中没有电流通过时就得到Voc; 并且Voc 在本质上是器件的工作电压。

当光电池的两个电极相互连结并且光电池电流允许通过时可以测量Isc。

此为有机太阳能电池的一些性能参数：
有机太阳能电池材料
有机小分子化合物
最早期的有机太阳能电池为肖特基电池,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,图4展示了目前被广泛用作有机太阳
能电池的电子受体材料。

此图为有机太阳能电池的化合物结构示意图：
有机大分子化合物
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。

用作有机太阳能电池的化合物结构示意图
D-A二元体系
将给体和受体通过共价键连接,可以很简单地获得微相分离的互渗双连续网络结构,也许能够克服以上的缺陷,并且基于单一有机化合物的器件有利于化合物结构器件效率关系的获得。

如图：
有机光电池改进方向
1 优化电池表面结构, 将电池表面反射的光重新交合( recoup ling) 进入电池。

2 使用抗反射镀膜诱获光子和制造多结多禁带结构电池捕获宽波长的光子从而获得合理的光子吸收。

3 使用低的串联电阻和小的覆盖面的金属作为前电极以获得大的填
充因子和高的光电流。

4 制造薄的光电池(可以减小串联电阻) 外,还可以采用优化集聚和钝化技术降低载流子的复合。

5 当用酞菁作材料制造光电池时, 应该考虑其晶型, 因为光生载流子产率与晶型有关。

6 制造由纳米级材料组成的光电池。

因为纳米材料是由超精细微粒组成, 而这些微粒边界区的体积大约是材料总体积的50%。

这样的结构可能会带来奇特性能。

参考文献
【1】《半导体及薄膜物理》恽正中，北京国防工业出版社
【2】《无机材料物理性能》关振铎, 清华大学出版社
【3】百度文库：
/view/6586c11a6bd97f192279e994.html 【4】《有机太阳能原理及其研究进展》张福俊
【5】《太阳能工作原理与特性》
/p-154287573.html。