有机太阳能电池结构与性能提升

1、 Organic Solar Cells : Device architectures, Working principles and Performance improvement Why OPV ?Anode(Al /Ag)Conjugated polymer Transparent cathode1.Device architecturesSingle layer (Schottky type)Anode(Al /Ag)AcceptorDonor Transparent cathodeBi-layer (Planar heter-ojunction -PHJ type) 2009年年4月

2、月26日日nature photonics上的高效单结电池上的高效单结电池D-A blendinglayer(Bulk heterojunction BHJ device)Anode Donor :Acceptor Transparent cathode 理想结构Dead end Anode AcceptorDonor :Acceptor DonorTransparent cathode D-D:A-A layer(Hybrid bulk heterojunction HHJ device)PIN type AndoeN type DonorAcceptor P typeTransparent

3、 cathode Tandem Polymer Solar Cells 2007年年,6.5%.采用倒型结构，窄能隙结采用倒型结构，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单元之间使用了溶胶法制备的透明TiOx作为光隔离层作为光隔离层和连接层和连接层 叠层太阳电池的开路电压一般大于子单元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（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

4、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 2012年，杨阳研究组的达到年，杨阳研究组的达到10.6%Organic /Inorganic hybrid Solar Cells2.Working principles2.0 Exciton Wannier exciton Charge-transfer exciton Frenkel exciton导带价带激子能级n=1

5、 n=2 n=3Wannier exciton(typical of inorganicsemiconductors)SEMICONDUCTOR PICTUREGROUND STATE WANNIER EXCITONbinding energy 10meVradius 100Frenkel exciton(typical of organicmaterials)MOLECULAR PICTUREGROUND STATE FRENKEL EXCITON binding energy 1eV radius 10AlEnergy/eVITOAl eVacuum EnergyDonorAcceptor

6、mmADID 在有机物中，在有机物中， 分子吸收光子之后，电子将从分子吸收光子之后，电子将从HOMO 跃迁到跃迁到LUMO上，而在上，而在HOMO上留下空穴，这束缚的电子和空穴对即为激上留下空穴，这束缚的电子和空穴对即为激子。子。LUMOHOMOlightAlITO 由于有机分子之间的作用力很小，材料的由于有机分子之间的作用力很小，材料的HOMO 与与LUMO 是不连续的，电子和空穴的传输是跳跃式的是不连续的，电子和空穴的传输是跳跃式的 ，扩散长度，扩散长度Ld 约约520nm 激子在有机质中是通过能量传递的方式进行输运的：激子在有机质中是通过能量传递的方式进行输运的：AlITOLUMOHOM

7、O分子内传输 D*1 D2 D*2D1 D*1 D2 D*2D1激子中的电子本身也可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 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。同时子解离为自由电荷。同时 激子的寿命和扩散长度（激子的寿命和扩散长度（520nm）都）都比较的短，这限制了活性层的厚度比较的短，这限制了活性层

8、的厚度 。通常情况下，有机光伏器。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，即給体件需要一个有效的解离机制来解离激子，即給体/受体界面。受体界面。 D*AA*D 激子在給体激子在給体/受体界面完成光诱导电荷转移后，发生电荷分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电荷通过跳跃模式（跳跃模式（hopping)或者扩散作用（或者扩散作用（diffusio

9、n）进行传输，进行传输，最终到达电极并被收集而产生光电流。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：自由电荷向电极传输的两种驱动力： 内部渐变电场内部渐变电场 迁移运动迁移运动 自由电荷自由电荷 的浓度梯度的浓度梯度 扩散运动扩散运动 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

10、需要借助要借助逾渗作用（逾渗作用（percolation）进行。进行。 在电极接触面处，给体的在电极接触面处，给体的HOMO与与ITO功函数以及受体的功函数以及受体的LUMO与金属功函数的应匹配，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以实现欧姆接触，避免电极处的电荷收集损失损失 。 Schematic and energy diagram of a typical polymer solar cell and its operatione-h+ Anode Cathode Donor AcceptorExciton formationExciton diffusionEx

11、citon dissociationCarrier transportCharge collectionOrganic Solar Cell3.Performance improvement光学：光学：增加光吸收（阳极陷光结构，薄增加光吸收（阳极陷光结构，薄膜干涉效应，金属纳米粒子表面等离激膜干涉效应，金属纳米粒子表面等离激元，光谱装换）元，光谱装换）电学：电学：利于载流子输运（活性层形貌控利于载流子输运（活性层形貌控制，界面能级调整等）制，界面能级调整等）较为常见的阴极修饰较为常见的阴极修饰： 金属氟化物金属氟化物 ，TiOx，ZnO，Cs2CO3等等 薄膜干涉效应薄膜干涉效应 金属纳米粒子金属纳米粒子 表面等离激元表面等离激元 Spectral co