有机太阳能电池简介

有机太阳能电池简介
随着社会的发展，能源危机在近几十年变得越来越突出，传统的化石能源有着随时枯竭的危险，同时化石能源的使用造成的环境污染也越来越突出。

在此背景之下，寻找可代替的新能源成为当下研究的热点，而在众多备选的替代者中，太阳能电池由于其清洁性，可持续性等优点得到了大量的关注。

在1954年贝尔实验室制作了光电转化效率达6%的太阳能电池,标志着商业化太阳能电池研究的开始。

到20世纪70年代,用于卫星的半导体硅太阳能的光电转化效率已达到15%～20%。

但硅系列太阳能电池材料纯度要求很高且制作工艺复杂,因此成本高,难以大规模生产。

其它类型半导体材料的太阳能电池因存在材料来源及工艺等问题也同样难以得到推广。

而有机太阳能电池以其材料来源广泛、制作成本低、耗能少、可弯曲、易于大规模生产等突出优势显示了其巨大开发潜力,成为近十几年来国内外各高校及科研单位研究的热点。

但有机太阳能电池从其诞生以来，一直面临着效率低下的问题，至今为止，在实验室内的效率才刚刚突破10%，与硅太阳能电池相距甚远，因此提高电池效率是有机太阳能电池的主要研究方向。

一．有机太阳能电池原理及构造
1有机太阳能电池的光生电原理
对于一个有机OPV(有机太阳能电池)，其基本原理就是利用光电材料的光生伏特效应产生电流，其基本的物理过程如图一所示。

不同于无机材料能直接吸收光子产生自由电子，有机光敏材料在吸收光子之后会产生一个激子对，即电子空穴对，必须使激子解离之后才能形成光电流。

而解离产生的电子必须到达电极才能对器件的光电流产生贡献。

也就是说，产生光电流需要经过吸收光子，产生激子，激子解离扩散，电极收集这些过程，这一过程相比较无机材料要困难的多，这也造成OPV的光电转化效率一直不高。

判断一个有机太阳能电池的好坏主要有以下几个参数：
短路电流：器件在短路状态下测得的电流，与器件的传输特性等相关
开路电压：器件在开路状态下测得的电压，主要与有机层禁带宽度有关。

填充因子：其定义为最大输出功率比上短路电流和开路电压的积。

光电转化效率：最大输出功率与入射太阳光密度之比。

2.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分。

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成果，从材料的选择到器件结构的优化都进行了不同程度的改进。

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、层压结构器件。

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收集的效率来得到较高的电池转换效率。

3.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须具备这样的功能：分子链中存在共轭体系并能通过部分离域的π和π’轨道完成光吸收和电荷传输过程；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法成膜。

目前常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、聚苯乙炔(PPV)衍生物、聚苯胺(PANI)以及其它类聚合物材料。

这类聚合物都具有大的π—共轭体系，存在较宽的π与π’能带，可通过掺杂或化学分子修饰来调整材料的电导性，使带隙降低，通常为2.0～2.2eV ，可有效地吸收图1.有机太阳能电池光生伏特原理，LUMO 为最低未被占
据轨道，HOMO
为最高占据轨道
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。

在所有这类聚合物中，PTH和PPV的光电性能以及特有的分子构架使得其在聚合物太阳能研究中较为活跃。

除了共轭聚合物外，富勒烯族材料由于具有良好的π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以及光稳定性较强，因而在聚合物光伏电池研究中也颇为看好。

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分子设计将朝如下方向发展：(1)具有可调的电、光特性，如：带隙、电子亲合能及传输特性；(2)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；(4)材料及制备技术成本要低。

二．我的方向
首先，需要熟练掌握基本的薄膜有机太阳能电池制造的流程，包括配溶液，旋涂，蒸镀，测量等试验步骤，并在此基础上对太器件进行改造。

图二.实验室制作的有机太阳
能电池基本结构示意图
对于有机太阳能电池的研究主要集中在材料的改变，器件结构的改造等方面。

我们主要的工作集中在后者之上，结合我们自身实验室的优势，通过纳米压印技术在薄膜表面做图案处理，改善器件效率。

同时，我们关注到最近对于铁电材料在器件当中的作用，试图在光伏器件中引入铁电层，通过极化场来增强器件内部载流子传输效率。