有机太阳能电池123

1、5 absorption excition diffusion charge dissociation charge transport charge collection 当光透过当光透过ITO电极照射到活性层上，活性层中的电极照射到活性层上，活性层中的 共轭聚合物给体吸收光子产生激子，激子，迁移共轭聚合物给体吸收光子产生激子，激子，迁移 到聚合物给体到聚合物给体/受体界面处，在那里激子中的电子受体界面处，在那里激子中的电子 转移给电子受体转移给电子受体PCBM的的LUMO能级，空穴保留在能级，空穴保留在 聚合物给体的聚合物给体的HOMO能级上，从而实现光生电荷能级上，从而实现光生电荷 分离

2、。然后在电池内部势场（其大小正比于正负分离。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，被分离的空穴沿着共轭聚合物给体形的作用下，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，而电子则沿着受体形成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。空穴和电子分别被相应的正的通道传输到负极。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，即光伏效极和负极收集后形成光电流和光电压，即光伏效 应。应。 重要参数：重要参数： 开路电压开路电压 ：聚合物太阳电池的开路电压与其受：聚合

3、物太阳电池的开路电压与其受 体的体的LUMO能级和给体的能级和给体的HOMO能级之差密切相能级之差密切相 关，基本上存在正比的关系。器件最高理论开路关，基本上存在正比的关系。器件最高理论开路 电压等于受体的电压等于受体的LUMO能级和给体的能级和给体的HOMO能级能级 之差除以电子电荷之差除以电子电荷e，但实际的开路电压要小于这，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、活性一数值，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。正负极功函数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。 Vo

4、c 短路电流短路电流Isc： 短路电流的大小与光电转换过程的短路电流的大小与光电转换过程的5个步骤的效率相关个步骤的效率相关 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，以提高太阳 光的利用率。光的利用率。 需要吸收光子后产生的激子有较长的寿命和较短的到达需要吸收光子后产生的激子有较长的寿命和较短的到达 给体给体/受体异质结界面的距离，使得激子都能够扩散到异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。 需要激子在给体需要激子在给体/受体界面上有高的电荷分离效率，使受体界面上有高的电荷分离效率，使 得到达界面的激子都能够分离成位

5、于受体得到达界面的激子都能够分离成位于受体LUMO能级上的能级上的 电子和位于给体电子和位于给体HOMO能级上的空穴，这要求给体的能级上的空穴，这要求给体的 LUMO和和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以以 上，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。 需要分离后的电子和空穴在分别向负极和正极的传输过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，避免途中被陷阱捕获或发生电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，这就要求光伏材料有高的纯度和高的

6、电子和空穴的复合，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。 电子和空穴是在器件内建电场的驱动下向负极和正极传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，因此使输的，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。 需要电极需要电极/活性层界面上有高的电荷收集效率，使得到活性层界面上有高的电荷收集效率，使得到 达界面的电荷都能够收集到电极上，这要求电极达界面的电荷都能够收集到电极上，这要求电极/活性层活性层 界面是欧姆接触，并且界面接

7、触电阻要小。界面是欧姆接触，并且界面接触电阻要小。 填充因子填充因子FF： 填充因子受电荷传输与分离的电荷再复合的影填充因子受电荷传输与分离的电荷再复合的影 响，同时与器件的串联电阻、活性层形貌和给受体网响，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。共轭聚合物光伏材料本身的性质以络结构密切相关。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，提高光伏材料的电荷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，改善给受体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共混活性层形貌和互穿网络结构

8、以及活性层/电极界电极界 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。 np nqpq 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。 载流子在半导体中运动时，便会不断地与热振动着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

9、势场被破坏，存在又一个附加势场V V，由于附，由于附 加势场的作用，就会使能带中的电子在不同加势场的作用，就会使能带中的电子在不同k k状态间跃迁。状态间跃迁。 散射分类：散射分类： 电离杂质的散射电离杂质的散射 晶格振动的散射晶格振动的散射 等同的能谷间的散射等同的能谷间的散射 中性杂质的散射中性杂质的散射 位错散射位错散射 合金散射合金散射 强简并时载流子之间的散射强简并时载流子之间的散射 传输空穴的传输空穴的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 将形成将形成Schottky势垒，即内建电场。有机物中激子扩散势垒，即内建电场。有机物中激子扩散 长度一般都小于

10、长度一般都小于20nm且且Schottky势垒的范围势垒的范围W在电极与在电极与 材料接触面积处仅几个纳米厚，因此只有极少一部分激子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。 阳极功函数要与给体阳极功函数要与给体HOMO能级匹配；阴极能级匹配；阴极 功函数要与受体功函数要与受体LUMO能级匹配，这样有利于电荷能级匹配，这样有利于电荷 收集。收集。 电荷分离产生电荷分离产生 于整个活性层，于整个活性层， 由于界面存在由于界面存在 于整个活性层，于整个活性层， 载流子向电极传载流子向电极传 输主要是通过粒输主

11、要是通过粒 子之间的渗漏子之间的渗漏 （percolation） 作用，因此对材作用，因此对材 料的形貌、颗粒料的形貌、颗粒 的大小较为敏感，的大小较为敏感， 且填充因子相应且填充因子相应 地小。地小。 将具有电子给体性质的单元以共价键方式连接到受体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，即同质双结材料。 分子分子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 于给体和受体的同时存在而产生的化学势梯度。该化学势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

12、，主要取决于分子内梯度，主要取决于分子内D基团和基团和A基团的链接模式，它基团的链接模式，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。 最大限度吸收太阳光谱，提高电池的开路电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。 美国科纳卡美国科纳卡(Konarka)公司公司 在电池的活性材料层与背电极之间插入光隔在电池的活性材料层与背电极之间插入光隔 离层，能够将光的空间分布与活性层的位置相匹离层，能够将光的空间分布与活性层的位置相匹 配，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。 入射光和背电极光之间的

13、光学干涉，活性层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（相对大的部分成为死区（dead-zone），光生载流），光生载流 子明显减少。子明显减少。 光学隔离层光学隔离层 光学隔离层要求：光学隔离层要求： 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，导带边 低于低于C C60 60的 的LUMOLUMO LUMOLUMO必须在收集金属电极的费米能级之上必须在收集金属电极的费米能级之上 对太阳光谱透明对太阳光谱透明 溶胶溶胶-凝胶法制备凝胶法制备 x TiO :42.1:56.4Ti O 轻敲模式的轻敲模式的AFM表明表面特征为透明、光滑表明表面特征

14、为透明、光滑 XRD显示为非晶，因在室温沉积，在显示为非晶，因在室温沉积，在150 处理，远低处理，远低 于结晶温度于结晶温度450 吸收边很好吸收边很好 地限制在地限制在 3.7 g EeV Isc(mAcm-2)Voc(V)FF() 无TiOx层7.50.510.542.3 有TiOx层11.10.610.665.0 ITO有三个问题：有三个问题：成本，机械柔韧性成本，机械柔韧性 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，从而电导率 下降，电池器件性能下降，下降，电池器件性能下降，制作过程经历多步制作过程经历多步 图形化，涉及到大量化学品。图形化，涉及到大量化学品

15、。 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，可通过与金属栅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。 有限线宽有限线宽160m，薄层电阻，薄层电阻1/ 步长（步长（pitch sizes）：两个导电栅线之间的最小距离）：两个导电栅线之间的最小距离 5mm2mm 表面覆盖率：表面覆盖率： 6.4 8 表面覆盖表面覆盖 率不同率不同 电阻率或电阻率或 者说电导者说电导 率不同率不同 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，计算 导电层的最佳厚度。导电层的最佳厚度。 最大限度吸收太阳光谱，提高电池的开路电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。