有机聚合物太阳能电池

1、1.有机/聚合物太阳能电池的大体原理：有机/聚合物太阳电池的大体原理是利用光入射到半导 体的异质结或金属半导体界面周围产生的光生伏打效应 (Photovoltaic)。光生伏打效应是光激发产生的电子空穴对一 激子被各类因素引发的静电势能分离产生电动势的现象。当 光子入射到光敏材料时，光敏材料被激发产生电子和空穴 对，在太阳能电池内建电场的作用下分离和传输，然后被各 自的电极搜集。在电荷传输的进程中，电子向阴极移动，空 穴向阳极移动，若是将器件的外部用导线连接起来，这样在 器件的内部和外部就形成了电流。对于利用不同材料制备的 太阳能电池，其电流产生进程是不同的。对于无机太阳能电 池，光电流产生进

2、程研究成熟，而有机半导体体系的光电流 产生进程有很多值得商议的地方，也是目前研究的热点内容 之一，在光电流的产生原理方面，很多是借鉴了无机太阳能 电池的理论(比如说其能带理论)，可是也有很多其独特的方 面，现介绍如下：一般以为有机/聚合物太阳电池的光电转换进程包括： 光的吸收与激子的形成、激子的扩散和电荷分离、电荷的传 输和搜集。对应的进程和损失机制如图1所示。.转换步骤 入射/ 损失机制激子产生 k激子复合JV图1聚合物太阳能电池光电转换进程和入射光子损失机理光吸收与激子的形成当太阳光透过透明电极ITO照射到聚合物层上时，不是 所有的光子都能被聚合物材料所吸收的，只有光子能量hV大于材料的禁

3、带宽度E时，光子才能被材料吸收，激发电子 g从聚合物的最高占有轨道(HOMO)跃迁到最低空轨道(LUMO)，留在HOMO中的空位通常称为“空穴”，这样就 形成了激子，通常激子由于库仑力的作用，具有较大的束缚 能而绑定在一路。对于入射到地面的太阳光谱从其能量散布 来看，大约在700nm处能量是最强的，因此所利用的激活层 材料其吸收光谱也应该尽可能的接近太阳的辐照光谱，而且 在700nm处达到最强的吸收，这样有力于激活层材料对光的 吸收和利用。可是从目前研究的聚合物材料来看，其吸收光 谱均不能与太阳光谱很好的匹配。激子扩散和电荷分离通常情况下，光激发产生的激子要通过必然的路径，传 输到适合的位置才

4、能进行解离。在传输进程中激子迁移的动 力是扩散。当束缚的激子扩散到由半导体/金属、有机层/有 机层、有机层/无机层所形成的界面处可以完成激子的解离。 可是激子的扩散长度是有限的，一般在10nm左右，距离界 面10nm之外的激子是得不到解离的，对光电流没有贡献。 当激子迁移到界面处，并在界面处解离成功才能形成自由的 载流子（正、负电荷），自由的载流子在内建电势或是外加电 场力的作用下，会产生定向的运动，从而使两种载流子分开。电荷的传输和搜集电子在聚合物中的传输是以跳跃的方式进行的，迁移率 比较低。如MEH-PPV （聚2-甲氧基一5- （2-乙基一己氧基） 1,4-亚苯基亚乙烯基）的空穴迁移率是

5、10-7cm2/VS，聚噻 吩的是10-5cm2/V 、，而在这两种材料中电子的迁移率要远 低于空穴的迁移率。向两个电极传输的正负电荷，最终会传 输到电极处被各自的电极搜集。因此电荷的搜集效率也是影 响光伏器件功率转换效率的关键因素。主要影响电荷搜集的因素是电极处的势垒，再有就是激活层与电极界面的接触情 况。有机/聚合物光伏器件结构:聚合物太阳能电池是有机太阳能电池研究的一个组成部 份。围绕提高有机太阳能电池效率的研究，在过去的几年中 取得了大量功效，从材料的选择到器件结构的优化都进行了 不同程度的改良。在器件设计方面有机太阳能电池出现了四 种结构：单层器件、双层或多层器件、复合层器件、层压结

6、 构器件，图2给出了这四种方式结构示用意。采用这些器件 结构的耳的在于通过提高有机分子材料中电荷分离和搜集 的效率来取得较高的电池转换效率。图2四种典型聚台物太阳能电池的结构有机/聚合物光伏器件的材料:作为聚合物光伏器件的共轭材料必需具有这样的功能： 分子链中存在共轭体系并能通过部份离域的n和n 轨道完 成光吸收和电荷传输进程；可溶性聚合物可通过溶液旋转涂 膜、刮涂成膜、丝网印刷、层压旋转涂膜或电化学等方式成 膜。目前常常利用于聚合物太阳能电池研究的聚合物材料 主要包括聚噻吩(PTH)衍生物、聚苯乙块(PPV)衍生物、聚苯 胺(PANI)和其它类聚合物材料。这种聚合物都具有大的n 一 共轭体系

7、，存在较宽的n与n*能带，可通过搀杂或化学分 子修饰来调整材料的电导性，使带隙降低，一般为，可有 效地吸收太阳光。例如MEH-PPV具有很强的吸收峰且吸收系 数很高，在吸收峰最大值时200nm厚的聚合物薄膜就可吸收 90%的入射光。在所有这种聚合物中，PTH和PPV的光电性 能和特有的分子构架使得其在聚合物太阳能研究中较为活 跃。除共轭聚合物外，富勒烯族材料由于具有良好的n共轭 体系、高的电子亲和能与离子活化能、大的可见光范围消光 系数和光稳定性较强，因此在聚合物光伏电池研究中也很是 看好。碳纳米管由于其独特的纳米性能也受到青睐。具有多功能光电特性的聚合物太阳能电池材料应该通过 度子设计将朝如

8、下方向发展:(1)具有可调的电、光特性，如：带隙、电子亲合能及传 输特性；加工简单，可制成大面积薄膜并厚度可控；(3)与受体材料相溶性好，可制成内部微结构均一的复合 体；材料及制备技术本钱要低。聚合物太阳能电池的应用前景及发展方向:聚合物光电池通过一系列的改良以后，有望利用于必然 的商业用途。由于性能参数接近于非晶硅光电池的水平，和 原料廉价、制造简单的优势，聚合物光电池已经可以应用于 非晶硅光电池的所有应用领域。聚合物光电池在具体实际应 用上，初期应用目标是民用电器如计算器、电子表、小型仪 表及儿童玩具等的电源。这些应用所需光源强度多为室内照 明光源强度：0.11mW/cm2。特别要指出的是

9、由于这种 光电池是全固体组成，将特别适用于即将兴起的手提式个人 数据处置器(PDA)、电话、行动电话、电子图书及电子报纸 的电源。虽然聚合物光电池的研究取得了重大进展，取得了较高 的开路电压，但聚合物光电池同目前应用领域占主导地位的 无机光电池相较，其主要问题仍然是光电能量转换效率较 低，较低的填充因子(Fill factor)及短路电流限制光电能量转换 效率。较低的光电流是由于较低的光吸收和光电流产生和传 输中的较大损耗造成的，而低的填充因子则是由于低的电荷 传输和高的复合所致。因此目前各国研究人员的研究方向大 多数集中在：改善光吸收，主如果利用具有近红外或红外吸收的聚合物 或染料；改善光电流的产生，利用具有高流动性的聚合物及高有序 相的液晶材料；利用具有高迁移率的无机纳米材料；器件制备进程的优化与稳定性的探索；对聚合物光伏器件物理理论及实验技术的探索。聚合物固体薄膜太阳能电池器件的优化工作可通