有机太阳能电池

电荷传输与收集
在电池内建电场的作用下，被解离的空穴沿着给体形成的通道传输到阳
极，而电子则沿着受体形成的通道传输到阴极。电子和空穴在被相应的
电极收集以后产生光伏效应。提高材料的迁移率是减少复合的一个主要 方法。电荷在有机半导体中的传输是以跳跃方式进行的，迁移率一般比 较低，即使是空穴迁移率比较高的P3HT和电子迁移率比较高的PCBM， 其迁移率也只有10-3cm2V-1s-1。另外要求阳极有较高的功函，而阴极 有较低的功函，电极功函数之差越大形成的内建电场也越大，这也有利 于电荷的传输过程。另外，活性层与电极界面间的欧姆接触对于提高电 荷收集效率也非常重要。

其光电转换过程包括以下四个步骤：吸收入射光子产生激子，激子扩 散，电荷分离和电荷传输与收集。

光吸收与激子的形成
与传统的无机太阳能电池直接产生可以自由移动的电子和空穴不同，共
轭聚合物吸收一定能量的光子后，就会激发一个电子从最高分子占据轨
道到最低分子空轨道，从而形成电子空穴对，由于有机聚合物具有较小 的介电常数，分子间相互作用力较弱，受入射光激发而形成的电子和空 穴则会以具有较强束缚能的电子-空穴对，即以激子的形式存在。
对于光吸收，大多数有机/聚合物器件中，只有一
部分入射光被吸收。主要是因为：
1、有机半导体的能隙太高
太阳光能量主要集中在400-1100nm，能隙为
1.1eV的半导体可以吸收77%的太阳光，而多数聚 合物的能隙大于1.8eV。
2、活性层厚度不够 虽然增加活性层的厚度可以提高光吸收效率，但由于有机材料中 电荷迁移率较低，增加厚度往往会导致载流子传输效率和器件的 填充因子的下降。有机太阳能电池活性层的最佳厚度一般在 100nm左右，这使得位于吸收光谱范围内的光子也不能全部被 吸收。提高光伏材料的迁移率可以增加活性层厚度从而提高吸收 效率。 3、光的反射 光在电池表面的反射。可以采用增加增头减反膜的办法提高光的 入射。

激子扩散
有机半导体吸收光子产生激子，激子要扩散到电子和受体界面的位置才
能发生电荷分离。电子给体与电子受体的电子亲和能差别越大，越有利
于激子界面处分离。但由于激子的寿命很短，导致激子扩散长度有限， 一般其扩散长度约5-20nm，只有在这个范围内形成的激子才能到达给 体/受体界面。一般来说，距离界面10nm以外的激子最终会重新复合 或者通过热过程衰退。

电荷分离
激子在电子给体/受体界面分离，分离后的电子或空穴在内建电场或外
加电场力的作用下产生定向运动，从而使两种载流子分开和向两个电极
传输。 界面上激子电荷分离的效率与激子束缚能以及给体和受体的能极差大小
密切相关。给体和受体的LUMO能及之差需要大于聚合物给体中激子的
束缚能，才能保证界面上有高的激子电荷分离效率。
张永哲

有机太阳能电池的发展历程 有机太阳能电池的结构和原理

Hale Waihona Puke Baidu
有机太阳能电池的制备技术
有机太阳能电池的发展方向


有机太阳能电池：由有机材料构成核心部分，基于有机半
导体的光生伏特效应，通过有机材料吸收光子从而实现光
电转换的太阳能电池。

优点：成本低，重量轻，制备工艺简单，可制备成大面积 柔性器件。从材料的角度来说：有机材料种类繁多，可设 计性强。


2013年，UCLA的Yang Yang教授采用较低能隙的有机分子，制备 了转化效率高达7.9%的单结电池和10.6%的串联电池。
有机太阳能电池的原理
组成：聚合物太阳能电池一般由共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受体的 共混活性层夹在透明导电阳极和低功函数金属阴极之间所形成，其活性 层厚度一般只有100-200nm。

缺点：转化效率相对较低，稳定性差和强度低。

1958年，第一个有机光电转化器件由Kearns和Calvin制备成
功，其主要材料为镁酞菁(MgPc),夹在两个功函数不同的电极
之间，在光照情况下，产生了200mV的开路电压。

1986年，邓青云博士改进了器件核心结构，酞菁衍生物作为p
型半导体，四羟基苝衍生物作为n型半导体的双层结构有机光
伏器件，其光电转化效率达到了1%左右。

1992年，Heeger等发现用共轭聚合物作为电子给体和C60作
为电子的受体，在光诱导下可发生超快电荷转移且该过程速率
远远大于其逆向过程的速率。

2000年，Forrest研究小组通过在有机小分子制备的双层结构太阳能 电池器件的有机层和金属阴极之间插入BCP薄膜层，使得器件的光电 转换效率提高到2.4%，并且改善了器件的伏安特性曲线，提高了器 件的稳定性。 2005年，Heeger等人采用本体异质节聚合物太阳能电池的结构，在 制备电极后再对器件进行热退火处理的方法有效地提高了电池的能量 转换效率，使其光电转换效率达到了5%。

特点：共轭聚合物给体和富勒烯受体都属于有机半导体，与无机半导 体材料相比，有机半导体材料的特点是吸收系数高，易于通过分子设 计调节其吸收光谱、载流子迁移率等性能。但是，有机半导体的载流 子迁移率比无机半导体材料低几个数量级，并且有机半导体吸收光子 后产生的是处于束缚态的激子(束缚能大于0.3eV)，不能直接产生自 由的电子和空穴，这就决定了聚合物太阳能电池在结构和性质上的特 殊性。
有机太阳能电池结构的演变过程

单层聚合物太阳能电池
1958年Kearns和Calvin制备了基于酞菁镁染料的有机光电转化器件， 染料层加在两个功函不同的电极之间，实验获得了200mV的开路电压， 光电效率非常低。最早出现的聚合物太阳能电池是用聚对苯撑乙烯(PPV)
制备的单层器件。
有机分子间相互 作用弱，介电常 数低，激子束缚 能大，激子扩散 距离短，激子电 荷分离效率低。 效率低于0.1%

双层聚合物太阳能电池
肖特基型电池的激子分离效率一般很低，光激发形成的激子只有在
肖特基结的扩散层内，依靠结区的电场作用才能得到分离。其他位置上 形成的激子，必须先移动到扩散层内才有可能分离成对光电流有贡献的 载流子。但有机物激子的迁移距离一般小于10nm，因此还未移动到界 面就会被复合掉。双层给体/受体异质结的引入是有机电池的一个重要 突破。器件的活性层是由有机电子给体层和有机电子受体层组成。在给 体/受体层之间形成可使激子高效分离的异质结，可以提供高效的电荷 分离效率，并且可通过选择合适的给体和受体材料，拓展器件在可见光 范围内的吸收，提高光生载流子产生的数量和效率。