有机太阳能电池

④需要分离后的电子和空穴在分别向负极和正极的传输过 程中有高的电荷传输效率， 程中有高的电荷传输效率，避免途中被陷阱捕获或发生电 子和空穴的复合， 子和空穴的复合，这就要求光伏材料有高的纯度和高的电 荷载流子迁移率。 荷载流子迁移率。 ⑤电子和空穴是在器件内建电场的驱动下向负极和正极传 输的，而内建电场来自于器件正负极功函数之差， 输的，而内建电场来自于器件正负极功函数之差，因此使 用高功函数的正极和低功函数的负极也非常重要。 用高功函数的正极和低功函数的负极也非常重要。 活性层界面上有高的电荷收集效率， ⑥需要电极/活性层界面上有高的电荷收集效率，使得到 需要电极 活性层界面上有高的电荷收集效率 达界面的电荷都能够收集到电极上，这要求电极/活性层 达界面的电荷都能够收集到电极上，这要求电极 活性层 界面是欧姆接触，并且界面接触电阻要小。 界面是欧姆接触，并且界面接触电阻要小。
步长（ ）：两个导电栅线之间的最小距离 步长（pitch sizes）：两个导电栅线之间的最小距离 ）： 5mm 2mm
表面覆盖率： 表面覆盖率：
6.4％
8％
表面覆盖 率不同
电阻率或 者说电导 率不同
下一步工作，考虑光的干涉效应，计算 下一步工作，考虑光的干涉效应， 导电层的最佳厚度。 导电层的最佳厚度。
半导体的电导率与载流子浓度和迁移率有关。 半导体的电导率与载流子浓度和迁移率有关。
σ = nqµn + pqµ p
载流子在半导体中运动时， 载流子在半导体中运动时，便会不断地与热振动着 的晶格原子和电离了的杂质离子发生碰撞，用波的概念， 的晶格原子和电离了的杂质离子发生碰撞，用波的概念， 就是说电子波在半导体中传播时遭到了散射。 就是说电子波在半导体中传播时遭到了散射。 半导体中载流子在运动过程中遭到散射的根本原因 是周期性势场被破坏，存在又一个附加势场△ 是周期性势场被破坏，存在又一个附加势场△V，由于附 加势场的作用，就会使能带中的电子在不同k状态间跃迁。 加势场的作用，就会使能带中的电子在不同k状态间跃迁。
无TiOx层 有TiOx层
Isc(mAcm-2) 7.5 11.1
Voc(V) 0.51 0.61
FF 0.54 0.66
η(％) 2.3 5.0
ITO有三个问题：①成本，②机械柔韧性— 有三个问题： 成本， 机械柔韧性— 有三个问题 是脆性的， —ITO是脆性的，很容易发生龟裂，从而电导率 是脆性的 很容易发生龟裂， 下降，电池器件性能下降， 下降，电池器件性能下降，③制作过程经历多步 图形化，涉及到大量化学品。 图形化，涉及到大量化学品。
散射分类： 散射分类： ①电离杂质的散射 ②晶格振动的散射 ③等同的能谷间的散射 ④中性杂质的散射 ⑤位错散射 ⑥合金散射 ⑦强简并时载流子之间的散射
传输空穴的HOMO能级与具有较低功函数的电极之间 能级与具有较低功函数的电极之间 传输空穴的 将形成Schottky势垒，即内建电场。有机物中激子扩散 势垒， 将形成 势垒 即内建电场。 长度一般都小于20nm且Schottky势垒的范围 在电极与 势垒的范围W在电极与 长度一般都小于 且 势垒的范围 材料接触面积处仅几个纳米厚， 材料接触面积处仅几个纳米厚，因此只有极少一部分激子 能够到达电极附近而被分离，最终产生电流。 能够到达电极附近而被分离，最终产生电流。
填充因子FF： 填充因子 ：
填充因子受电荷传输与分离的电荷再复合的影 同时与器件的串联电阻、 响，同时与器件的串联电阻、活性层形貌和给受体网 络结构密切相关。 络结构密切相关。共轭聚合物光伏材料本身的性质以 及器件结构都会影响填充因子， 及器件结构都会影响填充因子，提高光伏材料的电荷 载流子迁移率可以提高器件的填充因子， 载流子迁移率可以提高器件的填充因子，改善给受体 共混活性层形貌和互穿网络结构以及活性层/电极界 共混活性层形貌和互穿网络结构以及活性层 电极界 面结构都可以改善器件的填充因子。 面结构都可以改善器件的填充因子。
光学隔离层
入射光和背电极光之间的光学干涉， 入射光和背电极光之间的光学干涉，活性层 相对大的部分成为死区（ ），光生载流 相对大的部分成为死区（dead-zone），光生载流 ）， 子明显减少。 子明显减少。
光学隔离层要求： 光学隔离层要求： ①必须是优良的受主和电子输运材料，导带边 必须是优良的受主和电子输运材料， 低于C 低于C60的LUMO ②LUMO必须在收集金属电极的费米能级之上 LUMO必须在收集金属电极的费米能级之上 ③对太阳光谱透明
重要参数： 重要参数：
开路电压 Voc ：聚合物太阳电池的开路电压与其受 体的LUMO能级和给体的 能级和给体的HOMO能级之差密切相 体的 能级和给体的 能级之差密切相 基本上存在正比的关系。 关，基本上存在正比的关系。器件最高理论开路 电压等于受体的LUMO能级和给体的 能级和给体的HOMO能级 电压等于受体的 能级和给体的 能级 之差除以电子电荷e， 之差除以电子电荷 ，但实际的开路电压要小于这 一数值，这主要受电极电极材料的功函数、 一数值，这主要受电极电极材料的功函数、活性 层形貌和互穿网络结构等的影响。 层形貌和互穿网络结构等的影响。正负极功函数 之差增加也有利于开路电压的提高。 之差增加也有利于开路电压的提高。
最大限度吸收太阳光谱， 最大限度吸收太阳光谱，提高电池的开路电 压和效率。 压和效率。
美国科纳卡(Konarka)公司 公司 美国科纳卡
在电池的活性材料层与背电极之间插入光隔 离层， 离层，能够将光的空间分布与活性层的位置相匹 增加光吸收，有助于提高器件的光电流。 配，增加光吸收，有助于提高器件的光电流。
将具有电子给体性质的单元以共价键方式连接到受体 聚合物或者小分子上，形成D-A结材料，即同质双结材料。 结材料， 聚合物或者小分子上，形成 结材料 即同质双结材料。 分子D-A结器件中激子分离来源于光诱导下分子内由 结器件中激子分离来源于光诱导下分子内由 分子 于给体和受体的同时存在而产生的化学势梯度。 于给体和受体的同时存在而产生的化学势梯度。该化学势 梯度，主要取决于分子内D基团和 基团的链接模式， 基团和A基团的链接模式 梯度，主要取决于分子内 基团和 基团的链接模式，它 不但促进分子内激子分离，同时驱动电荷的迁移。 不但促进分子内激子分离，同时驱动电荷的迁移。
有机太阳能电池 Organic Solar Cells
5
①absorption ②excition diffusion ③charge dissociation ④charge transport ⑤charge collection
当光透过ITO电极照射到活性层上，活性层中的 电极照射到活性层上， 当光透过 电极照射到活性层上 共轭聚合物给体吸收光子产生激子，激子， 共轭聚合物给体吸收光子产生激子，激子，迁移 到聚合物给体/受体界面处 受体界面处， 到聚合物给体 受体界面处，在那里激子中的电子 转移给电子受体PCBM的LUMO能级，空穴保留在 能级， 转移给电子受体 的 能级 聚合物给体的HOMO能级上，从而实现光生电荷 能级上， 聚合物给体的 能级上 分离。然后在电池内部势场（ 分离。然后在电池内部势场（其大小正比于正负 电极的功函数之差，反比于器件活性层的厚度） 电极的功函数之差，反比于器件活性层的厚度） 的作用下， 的作用下，被分离的空穴沿着共轭聚合物给体形 成的通道传输到正极上， 成的通道传输到正极上，而电子则沿着受体形成 的通道传输到负极。 的通道传输到负极。空穴和电子分别被相应的正 极和负极收集后形成光电流和光电压， 极和负极收集后形成光电流和光电压，即光伏效 应。
短路电流I 短路电流 sc：
短路电流的大小与光电转换过程的5个步骤的效率相关 短路电流的大小与光电转换过程的 个步骤的效率相关 ①需要光伏材料在可见区有宽光谱和强吸收，以提高太阳 需要光伏材料在可见区有宽光谱和强吸收， 光的利用率。 光的利用率。 ②需要吸收光子后产生的激子有较长的寿命和较短的到达 给体/受体异质结界面的距离 受体异质结界面的距离， 给体 受体异质结界面的距离，使得激子都能够扩散到异 质结界面上。 质结界面上。 受体界面上有高的电荷分离效率， ③需要激子在给体/受体界面上有高的电荷分离效率，使 需要激子在给体 受体界面上有高的电荷分离效率 得到达界面的激子都能够分离成位于受体LUMO能级上的 得到达界面的激子都能够分离成位于受体 能级上的 电子和位于给体HOMO能级上的空穴，这要求给体的 能级上的空穴， 电子和位于给体 能级上的空穴 LUMO和HOMO能级分别高于受体的对应的能级 能级分别高于受体的对应的能级0.4eV以 和 能级分别高于受体的对应的能级 以 以克服激子的束缚能而发生电子和空穴的电荷分离。 上，以克服激子的束缚能而发生电子和空穴的电荷分离。
溶胶-凝胶法制备 溶胶 凝胶法制备 TiOx
Ti : O = 42.1: 56.4
轻敲模式的AFM表明表面特征为透明、光滑 表明表面特征为透明、 轻敲模式的 表明表面特征为透明
吸收边很好 地限制在
Eg = 3.7eV
XRD显示为非晶，因在室温沉积，在150 ℃处理，远低 显示为非晶，因在室温沉积， 处理， 显示为非晶 于结晶温度450℃ 于结晶温度 ℃
阳极功函数要与给体HOMO能级匹配；阴极 能级匹配； 阳极功函数要与给体 能级匹配 功函数要与受体LUMO能级匹配，这样有利于Βιβλιοθήκη Baidu荷 能级匹配， 功函数要与受体 能级匹配 收集。 收集。
①电荷分离产生 于整个活性层， 于整个活性层， ②由于界面存在 于整个活性层， 于整个活性层， 载流子向电极传 输主要是通过粒 子之间的渗漏 （percolation） ） 作用， 作用，因此对材 料的形貌、 料的形貌、颗粒 的大小较为敏感， 的大小较为敏感， 且填充因子相应 地小。 地小。
解决方案：使用导电的聚合物材料作为电极， 解决方案：使用导电的聚合物材料作为电极， 为改善聚合物电极的电导率， 为改善聚合物电极的电导率，可通过与金属栅 格联合使用。 格联合使用。
丝网印刷的蜂窝状电流收集栅格，外观优美， 丝网印刷的蜂窝状电流收集栅格，外观优美， 电流分布均匀。 电流分布均匀。
有限线宽160µm，薄层电阻1 Ω / ，薄层电阻 有限线宽