有机太阳能电池结构与性能提升课件

OrganicSolarCells:

Devicearchitectures,WorkingprinciplesandPerformanceimprovementOrganicSolarCells:1有机太阳能电池结构与性能提升课件2

WhyOPV?WhyOPV?3Anode(Al/Ag)ConjugatedpolymerTransparentcathode1.DevicearchitecturesSinglelayer(Schottky–type)Anode(Al/Ag)1.Devicearchite4Anode(Al/Ag)AcceptorDonorTransparentcathodeBi-layer(Planarheter-ojunction-PHJtype)2009年4月26日《naturephotonics》上的高效单结电池Anode(Al/Ag)Bi-layer5有机太阳能电池结构与性能提升课件6D-Ablendinglayer(Bulkheterojunction–BHJdevice)AnodeDonor:AcceptorTransparentcathode理想结构Deadend

D-AblendingAnode理想结构Deaden7AnodeAcceptorDonor:AcceptorDonorTransparentcathodeD-D:A-Alayer(Hybridbulkheterojunction–HHJdevice)AnodeD-D:A-A8PINtype

AndoeNtypeDonorAcceptorPtypeTransparentcathodePINtypeAndoeNtypeDonorAc9TandemPolymerSolarCells2007年<<science>>,6.5%.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单元之间使用了溶胶法制备的透明TiOx作为光隔离层和连接层TandemPolymerSolarCells20010

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,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。叠层太阳电池的开路电压一般大于子单元（理11TandeminvertedPolymerSolarCells

2012年，杨阳研究组的达到10.6%TandeminvertedPolymerSolar12Organic/InorganichybridSolarCellsOrganic/InorganichybridSo13

2.1光子捕获吸收---激子产生2.2能量传输与转移---激子扩散2.3电荷的转移和分离---激子解离2.4载流子的输运和收集2.Workingprinciples2.Workingprinciples142.0Exciton•Wannierexciton•Charge-transferexciton•Frenkelexciton导带价带激子能级n=1n=2n=32.0Exciton•Wannierexciton15Wannierexciton(typicalofinorganicsemiconductors)SEMICONDUCTORPICTUREGROUNDSTATEWANNIEREXCITONbindingenergy~10meVradius~100ÅFrenkelexciton(typicaloforganicmaterials)MOLECULARPICTUREGROUNDSTATEFRENKELEXCITONbindingenergy~1eVradius~10ÅWannierexcitonSEMICONDUCTORP16AlEnergy/eVITOAleVacuumEnergyDonorAcceptorφmφmADIDAlEnergy/eVITOAleVacuumEn17

2.1.光子捕获吸收---激子产生

在有机物中，

分子吸收光子之后，电子将从HOMO跃迁到LUMO上，而在HOMO上留下空穴，这束缚的电子和空穴对即为激子。LUMOHOMOlightAlITO2.1.光子捕获吸收---激子产生LUMOHOMOl182.2能量传输和转移---激子扩散/输运

由于有机分子之间的作用力很小，材料的HOMO与LUMO是不连续的，电子和空穴的传输是跳跃式的，扩散长度Ld约5~20nm

激子在有机质中是通过能量传递的方式进行输运的：

Foster能量转移Dexter能量转移2.2能量传输和转移---激子扩散/输运19AlITOLUMOHOMO分子内传输D*1D2D*2D1

偶极-偶极能量转移(分子间Foster能量转移)：将激子视为偶极子，它与其他偶极子之间存在相互作用。激子偶极子的振动将引起临近分子的振动，以此可以将激子的能量传递给临近分子AlITOLUMOHOMO分子内传输D*120D*1D2D*2D1

电子交换能量转移（Dexter能量转移)：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

D*1D2D*2D1212.3.电荷的转移和分离---激子解离

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。同时激子的寿命和扩散长度（5~20nm）都比较的短，这限制了活性层的厚度。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/受体界面。

D*AA*D2.3.电荷的转移和分离---激子解离有机材22

激子在給体/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跳跃模式（hopping)或者扩散作用（diffusion）进行传输，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：

内部渐变电场——迁移运动自由电荷的浓度梯度——扩散运动2.4.载流子的输运和收集激子在給体/受体界面完成光诱导电荷转移后，23

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，载流子的输运需要借助逾渗作用（percolation）进行。

在电极接触面处，给体的HOMO与ITO功函数以及受体的LUMO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损失

。

在电极接触面24Schematicandenergydiagramofatypicalpolymersolarcellanditsoperatione-h+

Anode

Cathode

Donor

AcceptorExcitonformationExcitondiffusionExcitondissociationCarriertransportChargecollectionOrganicSolarCellSchematicandenergydiagramo253.Performanceimprovement光学：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元，光谱装换）电学：利于载流子输运（活性层形貌控制，界面能级调整等）3.Performanceimprovement光学：增加26

退火处理

载流子的传输对材料的形貌，颗粒的大小较为敏感。退火的应用使得材料进行重新的组织形成一定的晶态和良好的双联通结构，自组装程度高，薄膜结晶度和形貌好，从而改善迁移率，改进器件性能。

温度

时间

溶剂退火

退27

成膜工艺

有机器件一般采用真空蒸镀的方式来沉积薄膜，当然对于大分子最常用的是旋涂。

成分比例

厚度

溶剂

成膜工艺28

器件结构的界面修饰

电极修饰的目的是使其功函数与給体材料的HOMO或受体材料的LUMO相匹配，以提高电荷抽取/注入效率，阻挡激子和非收集载流子的传输。ITO光阳极的处理:

氧等离子体处理，旋涂PEDOT:PSS,金纳米颗粒薄膜修饰等。

较为常见的阴极修饰：

金属氟化物

，TiOx，ZnO，Cs2CO3等器件结构的29

薄膜干涉效应

金属纳米粒子

表面等离激元薄膜干涉效应30

Spectralconversion

Spectralconversion31恳请批评指正谢谢恳请批评指正32

OrganicSolarCells:

Devicearchitectures,WorkingprinciplesandPerformanceimprovementOrganicSolarCells:33有机太阳能电池结构与性能提升课件34

WhyOPV?WhyOPV?35Anode(Al/Ag)ConjugatedpolymerTransparentcathode1.DevicearchitecturesSinglelayer(Schottky–type)Anode(Al/Ag)1.Devicearchite36Anode(Al/Ag)AcceptorDonorTransparentcathodeBi-layer(Planarheter-ojunction-PHJtype)2009年4月26日《naturephotonics》上的高效单结电池Anode(Al/Ag)Bi-layer37有机太阳能电池结构与性能提升课件38D-Ablendinglayer(Bulkheterojunction–BHJdevice)AnodeDonor:AcceptorTransparentcathode理想结构Deadend

D-AblendingAnode理想结构Deaden39AnodeAcceptorDonor:AcceptorDonorTransparentcathodeD-D:A-Alayer(Hybridbulkheterojunction–HHJdevice)AnodeD-D:A-A40PINtype

AndoeNtypeDonorAcceptorPtypeTransparentcathodePINtypeAndoeNtypeDonorAc41TandemPolymerSolarCells2007年<<science>>,6.5%.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单元之间使用了溶胶法制备的透明TiOx作为光隔离层和连接层TandemPolymerSolarCells20042

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,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。叠层太阳电池的开路电压一般大于子单元（理43TandeminvertedPolymerSolarCells

2012年，杨阳研究组的达到10.6%TandeminvertedPolymerSolar44Organic/InorganichybridSolarCellsOrganic/InorganichybridSo45

2.1光子捕获吸收---激子产生2.2能量传输与转移---激子扩散2.3电荷的转移和分离---激子解离2.4载流子的输运和收集2.Workingprinciples2.Workingprinciples462.0Exciton•Wannierexciton•Charge-transferexciton•Frenkelexciton导带价带激子能级n=1n=2n=32.0Exciton•Wannierexciton47Wannierexciton(typicalofinorganicsemiconductors)SEMICONDUCTORPICTUREGROUNDSTATEWANNIEREXCITONbindingenergy~10meVradius~100ÅFrenkelexciton(typicaloforganicmaterials)MOLECULARPICTUREGROUNDSTATEFRENKELEXCITONbindingenergy~1eVradius~10ÅWannierexcitonSEMICONDUCTORP48AlEnergy/eVITOAleVacuumEnergyDonorAcceptorφmφmADIDAlEnergy/eVITOAleVacuumEn49

2.1.光子捕获吸收---激子产生

在有机物中，

分子吸收光子之后，电子将从HOMO跃迁到LUMO上，而在HOMO上留下空穴，这束缚的电子和空穴对即为激子。LUMOHOMOlightAlITO2.1.光子捕获吸收---激子产生LUMOHOMOl502.2能量传输和转移---激子扩散/输运

由于有机分子之间的作用力很小，材料的HOMO与LUMO是不连续的，电子和空穴的传输是跳跃式的，扩散长度Ld约5~20nm

激子在有机质中是通过能量传递的方式进行输运的：

Foster能量转移Dexter能量转移2.2能量传输和转移---激子扩散/输运51AlITOLUMOHOMO分子内传输D*1D2D*2D1

偶极-偶极能量转移(分子间Foster能量转移)：将激子视为偶极子，它与其他偶极子之间存在相互作用。激子偶极子的振动将引起临近分子的振动，以此可以将激子的能量传递给临近分子AlITOLUMOHOMO分子内传输D*152D*1D2D*2D1

电子交换能量转移（Dexter能量转移)：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

D*1D2D*2D1532.3.电荷的转移和分离---激子解离

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。同时激子的寿命和扩散长度（5~20nm）都比较的短，这限制了活性层的厚度。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/受体界面。

D*AA*D2.3.电荷的转移和分离---激子解离有机材54

激子在給体/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跳跃模式（hopping)或者扩散作用（diffusion）进行传输，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：

内部渐变电场——迁移运动自由电荷的浓度梯度——扩散运动2.4.载流子的输运和收集激子在給体/受体界面完成光诱导电荷转移后，55

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，载流子的输运需要借助逾渗作用（percolation）进行。

在电极接触面处，给体的HOMO与ITO功函数以及受体的LUMO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损失

。

在电极接触面56Schematicandenergydiagramofatypicalpolymersolarcellanditsoperatione-h+

Anode

Cathode

Donor

AcceptorExcitonformationExcitondiffusionExcitondissociationCarriertransportChargecollectionOrganicSolarCellSchematicandenergydiagramo573.Performanceimprovement光学：