有机太阳能电池原理及其前景展望

电子信息学院

《太阳能电池》

结业论文

有机太阳能电池原理及其前景展望

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指导教师

日期2015.10

有机太阳能电池原理及其前景展望

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摘要：俗话说，万物生长靠太阳，地球上的风能、水能、生物质能等等都来自于太阳；即使是化石燃料（如煤炭、石油、天然气等），从根本上说也是来自于太阳。如今，这些远古时期留下来的不可再生资源面临着枯竭的命运，如何寻找新的可替代能源成为当务之急，而太阳能以其清洁环保、资源丰富的特点成为其中一个选择，其中有机太阳能电池是实现将太阳能直接转变为电能的最有前景的器件之一。介绍了有机太阳能电池的基本原理，并对其应用前景做出了展望分析。

关键词：有机太阳能电池；原理；结构；转换效率；缺陷；优势

中图分类号：TM914.4文献标识码：A

The Principle of Organic Solar Cells and its prospect

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Abstract:As the saying goes, all living things depend on the sun for their growth, and on earth, wind, water, and biomass energy and so on from the sun;Even (fossil fuels such as coal, oil, natural gas, etc.), basically is from the sun.Today, the non-renewable resources of ancient times to stay face the fate of dried up, how to look for new alternative energy become priority, and the characteristics of solar energy with its clean environmental protection, resources become one of the options, including organic solar cells is the realization of the solar energy directly into electrical energy one of the most promising devices.This paper introduces the basic principle of organic solar cells, and to the analysis and outlook of its application prospect.

Key words:organic solar cells;principle;structures;transfer efficiency;defect;superiority

0引言

现今能源问题是世界各国经济发展的首要问题，太阳能是未来最有希望的能源之一[1]，是一种取之不尽、用之不竭的无污染洁净能源。将太阳能直接转换为电能和热能造福于人类一直是科学家的追求目标。因而自从1954 年第一块单晶硅太阳能电池问世以来[2] ，人们就对利用半导体太阳能电池解决将来由于矿物燃料枯竭而引起的能源危机寄予了很大希望。现在各种形式的太阳电池相继问世，目前研究和应用最广泛的太阳电池主要是单晶硅、多

晶硅和非晶硅系列电池[3]。在目前商品化的太阳能电池市场中，尽管无机晶体硅太阳能电池占据主导地位，但有机太阳能电池因其独特的优势已成为太阳能电池研发的重要方向之一。

1 有机太阳能电池的定义及分类

有机太阳能电池是以有机半导体材料作为光电转换材料直接或间接将太阳能转变为电能的器件。有机半导体材料主要包括有机高分子材料、有机小分子材料，从广义的角度来说，凡是涉及有机半导体材料的太阳能电池都可称为有机太阳能电池[4]。各类有机太阳能电池的激子分离和电荷传输的机理具有很大的不同，因而有机材料在该类电池中的作用也有很大差别。按照结构和光伏机理，有机太阳能电池可分为肖特基有机电池、体异质结有机电池和染料敏化电池；按照使用材料的物理状态，有机太阳能电池也可分为染料敏化电池和全固态有机太阳能电池，全固态有机太阳能电池又可以分为有机小分子太阳能电池和有机聚合物太阳能电池[5]。

对于制造材料，按照分子量的大小分类，分为有机小分子材料和有机聚合物材料。常用的有机材料有小分子材料、聚合物材料、电极材料等。小分子材料是一些含共轭体系的染料分子，它们能够很好地吸收可见光从而表现出较好的光电转换特性，具有化合物结构可设计性、材质较轻、生产成本低、加工性能好、便于制备大面积太阳能电池等优点。但由于有机小分子材料一般溶解性较差，因而在有机太阳能电池中一般采用蒸镀的方法来制备小分子薄膜层。有机太阳能电池器件中常用的小分子材料主要有酞著、叶琳、并五苯和富勒烯等[6]。对于聚合物材料，太阳能电池上应用的聚合物首先必须是导电高分子，并且聚合物的微观结构和宏观结构都对聚合物材料的光电特性有较大影响。导电性聚合物的分子结构特征是含有大的π电子共扼体系，而聚合物材料的分子量影响着共扼体系的程度。材料的凝聚状态(非晶和结晶)、结晶度、晶面取向和结晶形态都会对器件光电流的大小有影响。主要的聚合物材料有聚对苯乙烯(PPv)、聚苯胺(队Nl)和聚唆吩(PTh)以及它们的衍生物等。对于电极材料，为了提高太阳能电池器件中电子和空穴的输出效率，要求选用功函数尽可能低的材料作为阴极和功函数尽可能高的材料作为阳极。电极材料的选取对于确定电极与有机材料之间是否形成欧姆接触或整流接触有较大影响。

2 基本原理

有机太阳能电池中的基本物理过程如右图：（1）光的吸收和激子的产生：光被有机材料吸收后激发有机分子从而产生激子；（2）激子的扩散和解离：通常激子可以被电场、杂