有机太阳能电池结构与性能提升

Organic Solar Cell
Schematic and energy diagram of a typical polymer solar cell and its operation
Exciton formation
Organic Solar Cells :
Device architectures, Working principles and Performance improvement
Why OPV ?
1.Device architectures
Anode(Al /Ag) Conjugated polymer
Energy/eV
φm AD ID e
φm
Al
Al ITO
Donor Acceptor
Vacuum Energy
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wenku.baidu.com的电子和空穴对即为激 子。
LUMO
ITO
light
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
Single layer (Schottky –
type)
Anode(Al /Ag) Acceptor Donor Transparent cathode
Bi-layer (Planar heterojunction PHJ type)
2009年4月26日《nature photonics》上的高效单结电池
HOMO
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
内部渐变电场 ——迁移运动 自由电荷 的浓度梯度 ——扩散运动
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 。
materials)
SEMICONDUCTOR PICTURE
MOLECULAR PICTURE
GROUND STATE WANNIER EXCITON
binding energy ~10meV radius ~100Å
GROUND STATE FRENKEL EXCITON
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：
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
D-D:A-A layer
(Hybrid bulk
heterojunct ion –HHJ device)
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
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
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
Anode Donor :Acceptor
Transparent cathode
D-A blending layer (Bulk
heterojunctio n –BHJ device)
理想结构
Dead end
Anode Acceptor
Donor :Acceptor
Donor Transparent cathode
• Wannier exciton • Charge-transfer exciton • Frenkel exciton
导带
n=3
n=2 激子能级
n=1
价带
Wannier exciton (typical of inorganic
semiconductors)
Frenkel exciton (typical of organic