聚合物在有机太阳能电池中的应用

聚合物在有机太阳能电池中的应用

化学系冯长福214070208

摘要简单介绍了有机太阳能电池的工作原理、结构及其发展，在此之上，综述了近年来聚合物在有机太阳能电池中的应用。对聚合物作电子给体材料、受体材料和缓冲层材料进行详细的描述, 并阐述了进一步发展的重点和前景。

关键词聚合物, 有机太阳能电池, 给体材料, 受体材料，缓冲层

1.前言

21世纪人类面临的最大问题是什么？能源问题和环境污染，毫无疑问的是排在最前列的。随着社会的不断进步和人口的剧增，煤、石油、天然气等传统能源消耗速度也在不断的增加，据中国科学院院士、中国科学院能源研究委员会副主任严陆光的研究，地球数十万年积聚下来的石油、煤炭、天然气等化石能源，大体上可以为人类使用300年。根据现在探明的储量和消耗水平计算，石油可用30至50年，天然气可用60至80年，煤炭可用时间长一些，大约100至200年。另外，由于使用传统能源排放出大量二氧化碳和粉尘，并呈上升趋势，造成全球气候变暖，且粉尘含量已严重影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境。因此，开发新型清洁、环保、可再生的绿色能源成为全球各界关注的热点。符合条件的能源有多种，如风能、水能、地热、潮汐、太阳能等，但由于太阳能具有取之不尽、用之不竭、不受地域限制这一突出优点，且兼具绿色能源的特点，成为人们近年来开发利用的最热点能源。

1.1 有机太阳能电池的发现

1938年，法国物理学家A.E.Becquerel发现，当光照射到一种带有电极的半导体材料上时产生了光生伏特效应，即“光伏效应”。1954年，美国贝尔实验室研制出第一块光电转换效率为６％的单晶硅太阳能电池［１］，引起了人们的关注，从此人们对太阳能

电池进行了大量研究，主要有硅系太阳能电池的单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池，半导体化合物太阳能电池，染料敏化太阳能电池等。然而，它们因制作工艺复杂、成本高等缺点而显得美中不足。有机半导体材料以其原料易得、价格低廉、质量轻、可塑性强、制备工艺简单、可大面积成膜、环境稳定性高以及光伏效应良好等优点，近年来倍受人们关注。标志有机太阳能电池出现的是1958年美国加利福尼亚大学的David Kearns 和Melvin Calvin［2］将镁酞菁（MgPc）染料夹在两个功函数不同的电极之间，在光的照射下，接通两极的外电路即产生了电流。在此光电转化器件中，由于镁酞菁染料和两个功函数不同的电极接触属于肖特基接触，因此这种结构的电池就是最初的“肖特基有机太阳能电池”。

1.2 有机太阳能电池的工作原理和表征参数

有机太阳能电池的工作原理一般包括以下几个过程：

（1）在太阳光照下，能量大于有机半导体材料禁带宽度的光子首先被吸收，此时处于HOMO （材料的最高占据轨道）能级的电子会被激发到LUMO （材料的最低空置轨道）能级上，而与之相关联的空穴则占据轨道较低的HOMO 能级；

（2）形成的电子—空穴对之间的库仑力较大，它们会以束缚的形式存在，称为激子；

（3）当激子处于电场处或界面处时，在能级差的作用下这些激子就会分离形成自由的电子和空穴，并分别向阴极和阳极运动，形成光电流。

1.3有机太阳能电池的表征参数

理想太阳能电池的工作原理［3］可以用恒流源、理想二极管和电阻三个元件并联的等效电路来表示（见图1），当入射光照射到太阳能电池上时，经由恒流源G产生的光电流I L，一部分提供给二极管D使用（I D），另一部分则供给回路中负载总电阻R S使用（I S）。基于二极管的特征曲线图，通常在光照下得到太阳能电池工作的I V特性曲线

如图２所示．

图1理想太阳能电池工作的等效电路图2光照下太阳能电池的Ｉ-Ｖ特性曲线

表征太阳能电池的参数有：

（1）开路电压V OC：当太阳能电池的外接电路处于开路状态时，即图２中I-V特性曲线上I=0时的电压值；

（2）短路电流I SC：当太阳能电池外接电路的总电阻为零时，即图２中I-V特性曲线上V=0时的电流值；

（3）填充因子FF：填充因子FF定义为光电池能够提供的最大功率与I SC和V OC的乘积之比，对有机太阳能电池而言，FF代表电池对外所能提供的最大输出功率的能力大小，它是反映太阳能电池质量的重要光电参数之一。根据以上定义，FF的表达式为

式中P max为电流在负载上的最大输出功率，I m和V m分别为电池取最大功率时所对应的电流和电压；

（4）外量子效率EQE［4］：外量子效率（EQE）又被称为光电转换效率（IPCE），它代表注入一个光子时，光电流所能取出的最多电子数。其表达式为

式中EQE为外量子效率，Nphotos为注入的光子数，Nelectrons代表取出的电子数，λ 为入射光的波长，P in为入射光的功率。有机太阳能电池的光电转换效率（IPCE）又可以分解为［5］：

式中ηＡ是材料吸收光子的效率，ηＥＤ是所有未复合的光生激子扩散到结区的效率，ηＣＣ是激子分离后生成的自由载流子传输至各自电极的效率；

（5）能量转化效率ηp［6］：太阳能电池的能量转换效率ηp为最大输出功率P out与单位面积入射光能量P in的比值，其表达式为

其中P out，P in分别为器件的最大输出功率和单位面积入射光能量，Ｌ为光照强度，Ａ为有效面积。

1.4有机太阳能电池的结构

有机太阳能电池结构有单层Schottky 结构、双层异质结结构、本体异质结结构等。（1）单层Schottky 结构

单层Schottky 结构有机太阳能电池（图3）是由单层的有机半导体材料嵌入在两个电极之间构成的。

图3单层S CHOTTKY 有机太阳能电池的结构和工作原理

由于两个电极功函数不同，有机半导体与具有较低功函数电极之间将形成Schottky 势垒（能带弯曲区域W），即内建电场。光照下，有机半导体材料吸收光后产生激子。

由于较大的库仑力使得这些激子不能分离成自由电子和空穴。由于有机半导体内激子的扩散长度一般都很小，只有扩散到Schottky势垒附近的激子才有机会被分离，所以单层Schottky结构电池的能量转换效率很低，在目前的有机太阳能电池研究中很少再使用这种结构。

（2）双层异质结结构

在双层光伏器件中（见图4），给体和受体有机材料分层排列于两个电极之间，形成平面型给体- 受体界面。而且阳极功函数要与给体HOMO能级匹配；阴极功函数要与受体LUMO能级匹配，这样才有利于电荷收集。

Tang [7]最早采用这种双层结构，这种结构的激子分离效率要明显高于单层结构，从而使得器件的性能获得很大提升。双层结构被研究得较为广泛的主要是p/n 形式的结构[8-9]，也有部分n/p形式的结构[10-11]。双层异质结结构中激子分离的驱动力是给体材料和受体材料的LUMO 能级之差，即激子在给体和受体界面的LUMO 能级之差的作用下分离[12]，其电荷效率较高，自由电荷重新复合的机会也较低。层器件相比，双层器件的最大优点是同时提供子和空穴传输的材料。当激子在给体-受体界面产生电荷转移后，电子在n 型材料中传输至阴而空穴则在p 型材料中传输至阳极。

图4双层异质结有机太阳能电池的结构和工作原理

（3）本体混合异质结结构

常见的本体混合异质结有机太阳能电池的结构和工作原理如图5所示。