平面異質(zhì)結(jié)有機太陽能電池

經(jīng)過幾十年發(fā)展，有機太陽能電池已經(jīng)形成多種結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)活性層中有機半導體材料的不同可分為單質(zhì)結(jié)、平面異質(zhì)結(jié)、體異質(zhì)結(jié)等結(jié)構(gòu)。其中平面異質(zhì)結(jié)是以往采用最為普遍的一種有機太陽能電池結(jié)構(gòu)。

早在 1986 年，有機光電子器件領域著名的C. W. Tang教授就制備了由兩種共軛小分子有機材料組成的光伏器件，當時這個器件實現(xiàn)大約 1%的能量轉(zhuǎn)換效率。在平面體異質(zhì)結(jié)光伏器件中，電極間有兩種不同的物質(zhì)層，形成層疊的雙層薄膜。由于這兩種物質(zhì)層在電子親和性和電離能方面存在差異，兩種物質(zhì)層界面間存在靜電力。兩種物質(zhì)層所用的材料要盡可能使這種差異更大，從而使局部電場大到足以使激子分離。兩種不同的材料中擁有較高電子親和性和電離能的是電子受體，另外一種材料為提供電子的吸光體，為電子給體。

電子給體中產(chǎn)生的激子可以擴散到與電子受體的分界面上并分離，空穴保留在給體中而電子進入到受體里。平面異質(zhì)結(jié)太陽能電池中，雖然電子給體和電子受體之間的界面有較大面積，但激子只能在界面區(qū)域分離，因為有機半導體中載流子輸運距離是很短的，大約是在10 nm的量級，而為了保證足夠的光吸收，活性層厚度又往往需要大于這個距離(至少是100 nm), 所以離界面較遠處產(chǎn)生的激子往往還沒到達界面就復合了。另外，有機材料載流子遷移率通常都比較低，從界面上分離出來的載流子在向電極運動的過程中大量損失。這兩點制約了平面異質(zhì)結(jié)光伏電池的能量轉(zhuǎn)換效率的提高。

有機光伏電池的工作機理很大程度上類似于無機光伏電池,但是由于材料本身性質(zhì)的影響還是有一定區(qū)別的。具體區(qū)別如下:

1. 無機半導體材料具有能帶結(jié)構(gòu),而有機半導體材料占有不連續(xù)的能帶(分子軌道)。然而"帶隙"的概念經(jīng)常不恰當?shù)挠迷谟袡C半導體材料。

2. 當空穴電子對(激子)在無機半導體中形成,它會很快分離。激子在有機半導體中被緊緊的束縛(結(jié)合能大約為 0.3-0.5eV)而且他們分離之前需要避免再結(jié)合。

3. 與無機半導體相比,有機半導體材料的載流子遷移率還非常低。

4. 有機半導體材料的光吸收系數(shù)比無機材料要高許多。

對于電荷轉(zhuǎn)移過程的多學科研究已經(jīng)有很長的一段時間。為了便于更好的理解,大致將給體-受體混合物中的分子內(nèi)或分子間的光致電子轉(zhuǎn)移分為以下幾個步驟。字母 D和 A 分別代表電子給體和受體,1 和 3 分別代表激發(fā)態(tài)為單一態(tài)和三重態(tài)。3

有機光伏電池的工作原理普遍認為是光誘導電子轉(zhuǎn)移的光物理過程,理想的電子整個產(chǎn)生轉(zhuǎn)移過程由以下五步組成: - 7 -

1. 吸光材料的光生激子由基態(tài)最高占據(jù)分子軌道能級(HOMO)激發(fā)到激發(fā)態(tài)最低非占據(jù)分子軌道能級(LUMO),激子產(chǎn)生。

2. 激子在復合前擴散到給體-受體(D/A)界面。

3. 如果給體受體材料的能級差比激子束縛能高,激子就會在 D/A 界面分離。激子分離的電子從給體轉(zhuǎn)移到受體的 LUMO 能級,而空穴留在給體的 HOMO 能級,這一步自由載流子產(chǎn)生。

4. 載流子分別擴散到兩電極,電子在受體中擴散,空穴在給體中擴散。

5. 載流子到達電極被收集。

有機太陽能電池發(fā)展迅速，它們具有廉價、柔軟、輕便等諸多優(yōu)點，是硅太陽能電池的有力挑戰(zhàn)者，有望在未來光伏產(chǎn)業(yè)中扮演重要角色。然而，有機太陽能電池的進一步應用仍然受到一些技術(shù)因素的制約。首先，有機半導體中激子擴散長度比有機光伏電池活性層厚度短得多，且有機半導體載流子遷移率比硅半導體也小不少;這一固有缺陷要求有機光伏電池具有較薄的活性層以獲取更高的能量轉(zhuǎn)換效率,但隨著活性層變薄，其光吸收也隨之減少。其次，有機太陽能電池的透明電極材料通常是氧化銦錫，這種材料成本較高，且不適合于制造柔性光伏器件。