有机太阳能电池

有机太阳能电池摘要有机太阳能电池因具有成本低、质轻、柔韧性好、可大面积印刷制备的优点而受到广泛关注，对电池原理，结构，材料的研究对提高有机太阳能电池的性能有重大意义。

本文主要综述了有机太阳能电池的工作原理，电池结构以及电极材料。

并对有机太阳能电池的应用前景做了展望。

关键词原理；结构；材料；应用前景1.有机太阳能电池简介有机太阳能电池，顾名思义，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。

主要是以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，以光伏效应而产生电压形成电流, 实现太阳能发电的效果.由于无机硅太阳能电池的材料生产成本高，污染大、能耗高，寻找新型太阳能电池材料和低成本制造技术便成为人们研究太阳能电池技术的目标。

有机太阳能材料和电池制备技术有望成为低成本制造的选择之一。

世界上第一个有机光电转化器件是由Kearns和Calvin在1958年制备的，其主要材料为镁酞菁（MgPc）染料，染料层夹在两个功函数不同的电极之间。

1986年，行业内出现了一个里程碑式的突破——有机半导体的发明。

器件的核心结构是由四羧基苝的一种衍生物（PV）和铜酞菁（CuPc）组成的双层膜。

双层膜的本质是一个异质结，其思路是用两种有机半导体材料来模仿无机异质结太阳能电池。

1992年，土耳其人Sariciftci在美国发现，激发态的电子能极快地从有机半导体分子注入到C60分子中，而反向的过程却要慢得多。

1993年，Sariciftci在此发现的基础上制成PPV/C60双层膜异质结太阳能电池。

随后，研究人员在此类太阳能电池的基础上又提出了一个重要的概念：混合异质结（体异质结）。

而所谓“混合异质结”，就是将给体材料和受体材料混合起来，通过共蒸或者旋涂的方法制成一种混合薄膜。

给体和受体在混合膜里形成一个个单一组成的区域，在任何位置产生的激子，都可以通过很短的路径到达给体与受体的界面（即结面），从而电荷分离的效率得到了提高。

2.有机太阳能电池工作原理激子概念在有机半导体材料中，分子之间只有很弱的范德华作用力，不能形成连续的能带，电子被光激发后只能停留在原分子轨道内，不能转移到其他分子上。

因此，有机分子在光激发后会形成较为稳定的空穴-电子对，亦即激子。

既然激子是没有分离的空穴-电子对，要实现光电转化，就要将这一对空穴与电子分离开。

在有机太阳能电池中，激子的分离意味着电子从一个分子转移到另一个分子上，从化学角度看，就是发生了氧化还原反应。

有机太阳能电池光电转化过程关键步骤：1)电子给体吸收入射光，形成激子；2)激子扩散到电子给体与电子受体的界面上；3)激子在给体/受体的界面上被分离（即发生氧化还原反应）；4)分离后的电子和空穴被传导到阴极和阳极上。

图1: 有机异质结型太阳能电池的能级结构（a) 和工作原理（b)3.有机太阳能电池材料有机小分子化合物有机小分子太阳能电池材料都具有一定的平面结构, 能形成自组装的多晶膜. 这种有序排列的分子薄膜使有机太阳能电池的迁移率大大提高. 常见的有机小分子太阳能材料有并五苯、酞菁、亚酞菁、卟啉、菁、苝和C60 等。

并五苯是五个苯环并列形成的稠环化合物,是制备聚合物薄膜太阳能电池最有前途的备用材料之一. 酞菁具有良好的热稳定性及化学稳定性, 是典型的p 型有机半导体, 具有离域的平面大π 键, 在600～800nm 的光谱区域内有较大吸收。

卟啉具有良好的光稳定性, 同时也是良好的光敏化剂. 苝类化合物是典型的n 型材料,具有电荷传输能力, 其吸收范围在500 nm左右C60 分子中存在的三维高度非定域电子共轭结构,使得它具有良好的电学及非线性光学性能, 其电导率为10－ 4 S/cm, 成为异质结电池中使用最多的小分子电子受体材料图2：常见小分子材料结构图有机大分子化合物在过去的几十年间，人们将具有半导体性质的有机大分子化合物（共轭聚合物）制成各种光电器件，对电致发光二极管进行了研究，基于共轭聚合物的有机太阳能电池从20世纪90年代起得到了迅速的发展。

富勒烯衍生物由于C60特殊笼形结构及功能, 将C60作为新型功能基团引入高分子体系,得到具有导电性和光学性质优异的新型功能高分子材料. C60引入高分子的主链、侧链, 形成富勒烯的衍生物经过改良的C60,PCBM ([6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯)具有较好的溶解性,被广泛应用于聚合物器件中.图3：一些富勒烯衍生物的结构图聚对亚苯基亚乙烯及其衍生物聚对亚苯基亚乙烯[poly(phenylene vinylene), PPV]及其衍生物是近年来广泛研究的一类共轭聚合物材料, 通常作为给体. 代表性材料是MEH-PPV, 具有较好的溶解性, 禁带宽度eV)适中. MEH-PPV 的空穴迁移率高, 但电子迁移率较低。

图4：一些PPV 衍生物的结构图聚噻吩及其衍生物聚噻吩(PTh)及其衍生物是良好的导电聚合物, 也是近年来在有机太阳能电池中广泛研究的一类给体材料。

噻吩类材料可以“头尾相连”形成有序薄膜, 从而具有较高的迁移率, 有利于载流子的传输。

薄膜生长速度慢时, 自组织程度高,迁移率高.另外, 热处理可以改善含噻吩类活性材料的薄膜形貌和增加结晶度等使ηp 提高。

溶剂对噻吩薄膜性能也有一定的影响。

图5：一些聚噻吩衍生物的结构图含氮共轭聚合物含氮的共轭聚合物也是一类较常见的有机太阳能电池材料, 主要包括聚乙烯基咔唑(PVK)、聚吡咯(PPy)和聚苯胺(PAn). 聚乙烯基咔唑(PVK)侧基上带有大的电子共轭体系, 可以吸紫外光, 激发出的电子可以通过相邻苯环形成的电荷转移复合物自由迁移. 聚吡咯(PPy)具有电导率高, 易于制备及掺杂、稳定性好、电化学可逆性强的特点图6：含氮共轭聚合物的结构图聚芴及其衍生物聚芴及其衍生物由于具有好的稳定性和高的发光效率而引起人们的广泛兴趣。

由于聚芴中含有刚性平面结构的联苯,所以往往表现出好的光稳定性和热稳定性。

其光电性能的研究也从发光材料拓展到了太阳能电池材料。

由于纯粹的聚芴不仅溶解性差,而且是蓝光材料,能隙较宽,和太阳光谱不能很好的匹配,所以对聚芴的研究往往集中在溶解性和能隙的调控上。

图7：一些聚芴衍生物的结构图模拟叶绿素材料植物的叶绿素可将太阳能转化为化学能的关键一步是叶绿素分子受到光激发后产生电荷分离态，且电荷分离态寿命长达1s。

电荷分离态存在时间越长越有利于电荷的输出。

美国阿尔贡国家实验室的工作人员合成了具有如下结构的化合物C-P-Q。

卟啉环吸收太阳光，将电子转移到受体苯醌环上，胡萝卜素也可以吸收太阳光，将电子注入卟啉环，最后正电荷集中在胡萝卜素分子，负电荷集中在苯醌环上，电荷分离态的存在时间高达4ms。

卟啉环对太阳光的吸收远大于胡萝卜素。

如果将该分子制成极化膜附着在导电高分子膜上，就可以将太阳能转化为电能。

图8：一种新叶绿素化合物结构图4.有机太阳能电池结构单层Schottky 结构单层Schottky 结构有机太阳能电池是由单层的有机半导体材料嵌入在两个电极之间构成的。

由于两个电极功函数不同，有机半导体与具有较低功函数电极之间将形成Schottky 势垒（能带弯曲区域W），即内建电场。

光照下，有机半导体材料吸收光后产生激子。

由于较大的库仑力使得这些激子不能分离成自由电子和空穴。

由于有机半导体内激子的扩散长度一般都很小，只有扩散到Schottky 势垒附近的激子才有机会被分离，所以单层Schottky结构电池的能量转换效率很低，在目前的有机太阳能电池研究中很少再使用这种结构。

图9：单层Schottky 有机太阳能电池的结构和工作原理双层异质结结构在双层光伏器件中，给体和受体有机材料分层排列于两个电极之间，形成平面型给体-受体界面。

而且阳极功函数要与给体HOMO 能级匹配；阴极功函数要与受体LUMO 能级匹配，这样才有利于电荷收集。

双层异质结结构中激子分离的驱动力是给体材料和受体材料的LUMO 能级之差，即激子在给体和受体界面的LUMO 能级之差的作用下分离，其电荷分离效率较高，自由电荷重新复合的机会也较低。

与单层器件相比，双层器件的最大优点是同时提供了电子和空穴传输的材料。

当激子在给体-受体界面分离产生电荷转移后，电子在n 型材料中传输至阴极，而空穴则在p 型材料中传输至阳极。

图10：双层异质结有机太阳能电池的结构和工作原理本体混合异质结结构在本体混合异质结结构电池中，由于纳米尺度界面的存在，大大增加了给体-受体接触面积，使得材料中产生的激子很容易扩散到给体-受体界面并分离，从而提高了激子的分离效率，使电池性能进一步提高。

理想情况下，在混合异质结电池中电荷的分离与收集是等效的。

但实际上混合体微观结构是无序的，网络间存在大量缺陷，从而阻碍了电荷的分离和传输。

研究发现，将给体和受体通过共价键连接，可以很简单地获得微相分离的互渗透连续网络结构，基本能够克服以上的缺陷。

图11：本体混合异质结有机太阳能电池的结构和工作原理叠层结构叠层结构电池是将两个或两个以上的电池单元以串联的方式做成一个器件，子电池 1 中产生的空穴和子电池 2 中产生的电子扩散至连接层并复合，每个子电池中只有一种电荷扩散至相对应的电极。

叠层结构电池可利用不同光吸收谱的材料来改善电池对太阳光的吸收，减少高能量光子的热损失，最终提高电池效率。

由于串联的叠层电池的开路电压一般大于子单元结构，其转换效率主要受光生电流的限制。

图12：叠层有机太阳能电池的结构和工作原理p-i-n 结构p-i-n 结构的异质结有机太阳能电池的能量转换效率在同类电池中是比较高的。

p-i-n 结构有机太阳能电池中，p、i 和n 分别指p 型材料层、本征吸收i层和n 型材料层。

在p-i-n 型异质结有机太阳能电池中，光吸收和电荷载流子的传输是两个独立的过程。

激子分离后，形成的空穴和电子分别通过p 层和n 层传输到电极。

通过改变宽带隙材料层的厚度，可以使得本征层处于光场最强的位置，可以提高电池的性能。

图13：p-i-n 型异质结有机太阳能电池的结构和工作原理5.有机太阳能电池优缺点优点：（1）与无机太阳能电池使用的材料相比，有机半导体材料的原料来源广泛易得、廉价，环境稳定性高，有良好的光伏效应、材料质量轻、较高的吸收系数（通常>105cm-1）、有机化合物结构可设计且制备提纯加工简便、加工性能好，易进行物理改性等。

（2）有机太阳能电池制备工艺更加灵活简单，可采用真空蒸镀或涂敷的办法制备成膜，还可采用印刷或喷涂等方式，生产中的能耗较无机材料更低，生产过程对环境无污染，且可在柔性或非柔性衬底上加工，具有制造面积大、超薄、廉价、简易、良好柔韧性等特点。

（3）有机太阳能电池产品是半透明的，便于装饰和应用，色彩可选。

5．2缺点：（1）有机材料的载流子迁移率一般都很低，与无机材料相比要低若干个量级，这对有机半导体器件的效率有较大影响；（2）有机半导体材料吸收太阳光波段不宽，绝大部分材料最大吸收波段在350nm～650nm，而地球表面可吸收的太阳光的能量主要分布在600nm～800nm，因此吸收光谱与太阳光光谱不匹配，导致光电转换效率低；如果通过增加激活层的厚度来提高光的吸收，但同时也会使器件的串联电阻增大激子和载流子的迁移距离增加，短路电流减小，从而导致光电转换效率较低（3）激子在半导体薄膜的迁移过程中不可避免的存在着激子复合的损失，一般仅离边界或结点最近的激子才会产生光伏电流，使得有机太阳能电池实际转化效率低下；（4）有机半导体材料在有氧和水存在的条件下往往是不稳定的且寿命比较短。