有機(jī)太陽能電池

有機(jī)太陽能電池是成分全部或部分為有機(jī)物的太陽能電池，他們使用了導(dǎo)電聚合物或小分子用于光的吸收和電荷轉(zhuǎn)移。有機(jī)物的大量制備、相對(duì)價(jià)格低廉，柔軟等性質(zhì)使其在光伏應(yīng)用方面很有前途。通過改變聚合物等分子的長(zhǎng)度和官能團(tuán)可以改變有機(jī)分子的能隙，有機(jī)物的摩爾消光系數(shù)很高，使得少量的有機(jī)物就可以吸收大量的光。相對(duì)于無機(jī)太陽能電池，有機(jī)太陽能電池的主要缺點(diǎn)是較低的能量轉(zhuǎn)換效率，穩(wěn)定性差和強(qiáng)度低。

有機(jī)太陽能電池的材料

ont face="sans-serif">太陽能電池是一個(gè)特別的半導(dǎo)體二極管，它可能將可見光能轉(zhuǎn)化為直流電，一些太陽能電池可能轉(zhuǎn)化紅外和紫外光的能量為直流電。通常用于有機(jī)光伏電池的材料都是有大量共軛鍵的，共軛鍵是由交替碳碳單鍵和雙鍵組成的，共軛鍵的電子的簡(jiǎn)并軌道是離域的，形成了離域成鍵軌道π軌道和反鍵軌道π*。離域π鍵是最高占據(jù)軌道(HOMO)，反鍵軌道π*是最低未占據(jù)軌道(LUMO)。HOMO和LUMO的能級(jí)差被認(rèn)為是有機(jī)電子材料的帶隙，帶隙一般在1-4 eV。

當(dāng)這些材料吸收了一個(gè)光子，就形成了激發(fā)態(tài)，并被局限在一個(gè)分子或一條聚合物的鏈，激發(fā)態(tài)可以被看作是在靜電力作用結(jié)合的一個(gè)電子和空穴，也就是激發(fā)子，簡(jiǎn)稱激子。在光伏電池中，激子在不同物質(zhì)的異質(zhì)結(jié)形成的有效場(chǎng)中成為自由的電子空穴對(duì)，有效場(chǎng)使電子從吸光體（也就是電子給體）的導(dǎo)帶降到受體分子的導(dǎo)帶上從而破壞了激子，因此電子受體材料的導(dǎo)帶邊界，也就是它的LUMO必須低于吸光體材料。

有機(jī)聚合物：聚合物，聚合物：富勒烯 ，聚合物：納米管等。

分類

單層太陽能電池

單層有機(jī)太陽能電池是有機(jī)太陽能電池中最簡(jiǎn)單的形式，兩個(gè)金屬導(dǎo)電層夾著有機(jī)電子材料層，例如高功函的氧化銦錫(ITO)和低功函的鋁、鎂和鈣。

兩個(gè)導(dǎo)電層的功函差在有機(jī)層的兩端建立了一個(gè)電場(chǎng)。當(dāng)有機(jī)層吸收小光子后，電子會(huì)被激發(fā)到LUMO上，空穴留在HOMO上形成激子，而電極上不同的功函造成的電勢(shì)有利于激子的分離，將電子拉到正極，空穴拉到負(fù)極，這個(gè)過程中形成的電壓和電流就可以被利用。電場(chǎng)并不是最好的使激子分離的方法，異質(zhì)結(jié)電池中使用有效場(chǎng)來使激子分離的效率更高。

實(shí)例

早些年酞菁材料用于太陽能電池被大量的研究。早在1958年，Kearns等人就報(bào)道了鎂酞菁(MgPh)光伏器件可以產(chǎn)生200mV的電壓，Ghosh等人研究了Al/MgPh/Ag光伏電池，在690 nm的輻照強(qiáng)度下得到他們制備的器件的光電轉(zhuǎn)換效率為0.01%。共軛聚合物也被用于此類電池。Weinberger等人使用聚乙炔作為有機(jī)層，鋁和石墨作為電極構(gòu)建了光電器件，它的開路電壓有0.3V，電荷收集效率為0.3%。Glenis等人報(bào)道了Al/poly(3-nethyl-thiophene)/Pt電池的制備與表征，它的外量子效率為0.17%，開路電壓為0.4V，填充因子為0.3。Karg等人了構(gòu)建了ITO/PPV/Al電子，該器件在白光光源的山開曠望旋平陸輻照下的開路電壓為1V，能量轉(zhuǎn)換效率為0.1%。

問題

實(shí)際上，單層有機(jī)太陽能電池工作得很差，因?yàn)樗麄兊牧孔有屎艿筒坏?%，而能量轉(zhuǎn)化效率不到0.1%，主要原因之下是兩個(gè)電極間的電場(chǎng)很少足以使激子分離，電子更多的是與空穴復(fù)合而不是到達(dá)電極。為了解決這個(gè)問題，發(fā)展了多層有機(jī)太陽能電池。

雙層太陽能電池

這類電池在電極間有兩層不同的物質(zhì)，這兩種物質(zhì)在電子親和性、電離能方面有差異，因此靜電力在兩層間的界面產(chǎn)生。這兩層所用的材料要盡可能使這兩種差異更大，從而使得局部電場(chǎng)大到足以使激子分離，比單層太陽能電池更有效。兩種材料中擁有較高電子親和性和電離能的是電子受體，另外一個(gè)是電子給體。這種結(jié)構(gòu)也叫做平面給受異質(zhì)結(jié)。

實(shí)例

富勒烯擁有很高的電子親和性，因此它在這種有機(jī)太陽能電池中是一個(gè)很好電子受體材料.Sariciftcit等人構(gòu)建了C60/MEH-PPV雙層太陽能電池，在單色光在輻照下器件的填充因子達(dá)到了48%，轉(zhuǎn)化效率為0.045。Halls等人報(bào)道了PPV/C60類電池，它的外量子效率為9%，器件效率達(dá)到1%，填充因子為48%。苝的衍生物也是一類具有高電子親和性和化學(xué)穩(wěn)定性的有機(jī)分子。鄧青云等人將酞菁銅作為電子給體，四羧酸苝的衍生物作為電子受體構(gòu)建了電池，該器件在AM2輻照下的器件表現(xiàn)的填充因子高達(dá)65%,效率為1%。Halls等人構(gòu)建了以二苯胺苝衍生物為電子受體蓋在以PPV為電子給體上，在單色光輻照下它的最大量子效率為6%，效率為1%，填充因子達(dá)到60%。

問題

激子在有機(jī)材料中的擴(kuò)散距離通常是10 nm。為了讓盡可能多的激子擴(kuò)散到兩層的界面從而使得激子分離，層的厚度需要與激子擴(kuò)散距離相同，然而，一個(gè)聚合物膜需要100 nm以上來吸收足夠的光。對(duì)于這樣的一個(gè)厚度，只有少量的激子能夠到達(dá)異質(zhì)結(jié)的界面。為了解決這個(gè)問題，一類新的異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池被設(shè)計(jì)出來，即分散異質(zhì)結(jié)太陽能電池，也稱本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池。

本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池

在本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池中，電子給體與受體共混到一起形成膜。每塊給體或受體的長(zhǎng)度與激子擴(kuò)散距離一致，給體或受體中產(chǎn)生的大部分激子可以到達(dá)兩個(gè)物質(zhì)的界面，并得到有效的分離。電子遷移到受體區(qū)域后逐漸到達(dá)電極并被收集，空穴被拉到相反的方向，并被另一個(gè)電極所收集。

實(shí)例

C60和它的衍生物也可以被用作電子受體在這種分散異質(zhì)結(jié)光伏電池中。俞剛等人構(gòu)建了MEH-PPV和[[PC61BM]]分別為電子給體和受體，ITO和Ca為電極的異質(zhì)結(jié)電池，在單色光的輻照下它的量子效率達(dá)到29%，能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)到2.9%；后來他們用P3OT取代了MEH-PPV作電子給體，得到了在10V反向偏壓下量子效率高達(dá)45%的器件。 也有用聚合物/聚合物共混層做此類電池的。Hall等人使用CN-PPV和MEH-PPV作為活性層，Al和ITO作為電極構(gòu)建了上述電池，它的單色光能量轉(zhuǎn)化效率的峰值達(dá)到1%，填充因子達(dá)到38%。迄今最高的本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的效率為 8.3%。

染料敏化太陽能電池也可以被看作此類電池中的一種。

問題與進(jìn)展

有機(jī)材料的帶隙很大是導(dǎo)致有機(jī)太陽能電池相對(duì)無機(jī)太陽能電池的問題有較低的量子效率（~3%）的主要原因。材料的氧化和還原所導(dǎo)致的不穩(wěn)定性，重結(jié)晶和溫度變化導(dǎo)致了器件的衰老，每個(gè)層面都對(duì)研究者提出了很大的挑戰(zhàn)。其它重要因素還有激子擴(kuò)散距離、電荷分離和電荷收集，而材料中的雜質(zhì)對(duì)電荷傳導(dǎo)和遷移率也有影響。

形貌影響

如前所述，將有機(jī)材料電子給受體分散后的本體異質(zhì)結(jié)相對(duì)于平面異質(zhì)結(jié)有較高的量子效率，因此分散后更有利于激子在擴(kuò)散距離內(nèi)找到界面。膜的形貌對(duì)于量子效率有重要影響。粗糙的表面和空白的存在會(huì)增加器件的串聯(lián)電阻或使電池短路。蒸鍍金屬電極后退火可以一般可以顯著改善提高膜的形貌和量子效率，蓋在有機(jī)層上的金屬電極可以阻止有機(jī)層形貌的弛豫，從而形成電子給受體系相分離貫穿且緊密堆積的膜。

異質(zhì)結(jié)的控制生長(zhǎng)

電荷分離發(fā)生在電子給受體的界面。當(dāng)電子在遷移到電極的過程中，電荷可能會(huì)在無序的貫穿的有機(jī)材料中被陷阱和或重組，導(dǎo)致減小的器件效率。異質(zhì)結(jié)的控制生長(zhǎng)可以控制給受體材料的位置，從而導(dǎo)致相對(duì)平面和高度無序異質(zhì)結(jié)電池更高的能量轉(zhuǎn)化效率。為了更好地控制結(jié)構(gòu)和膜的形貌調(diào)節(jié)合適的器件制作過程參數(shù)是非常有必要的。

生長(zhǎng)技術(shù)的過程

大部分光伏器件的膜是通過旋轉(zhuǎn)涂抹（旋涂）或蒸氣相沉積的方法得到的，然后每個(gè)方法都有自己的缺點(diǎn)。旋涂可以在高速下制備更大的面積，但是所使用的溶劑會(huì)破壞已有的膜，另外一個(gè)相關(guān)問題是旋涂時(shí)會(huì)使整個(gè)基底都涂上同一個(gè)物質(zhì)。

真空熱蒸鍍

另一個(gè)沉積的方法是通過在真空中加熱有機(jī)物的真空熱蒸鍍（VTE）法。基底被放到距離蒸鍍?cè)磶桌迕椎纳戏?，使得有機(jī)物的蒸氣可能會(huì)直接沉積到基底表面。這種方法是不需要各層之前的化學(xué)作用，對(duì)于沉積不同的層是很有用的。然而，通過這人方法在大面積的基底上得到的膜的厚度和均一性有時(shí)不好。另外，先沉積到蒸發(fā)爐內(nèi)壁的物質(zhì)可能污染之后的沉積。而且，這種直接沉積的技術(shù)可能會(huì)在因?yàn)檎趽醵谀ど袭a(chǎn)生空白，從而提高了串聯(lián)電阻和短路。

有機(jī)蒸氣相沉積

用有機(jī)蒸氣沉積的方法被證明比在真實(shí)中熱蒸鍍制備有機(jī)薄膜能更好地控制膜的結(jié)構(gòu)和形貌，這是一個(gè)在惰性氣流中蒸發(fā)有機(jī)物到基底的過程，通過改變氣流的速度和源的溫度來控制膜的形貌。減小氣流的壓強(qiáng)可以增加氣流的速度和平均自由程從而減小邊界厚度得到均一的膜。這樣得到的器件也不會(huì)被蒸發(fā)爐中的其他物質(zhì)所污染，因?yàn)檎舭l(fā)爐內(nèi)壁很熱，有機(jī)分子無法附著在上面成膜。