有机光伏电池介绍

      简介
      有机材料
      分类原理

      1.      肖特基电池

      2.      异质结有机太阳能

      3.      染料敏化太阳能电池

      有机太阳能电池优点
      有机太阳能电池缺点
      有机太阳能电池发展前景

      有机太阳能电池是20世纪90年代发展起来的新型太阳能电池，它是以有机半导体作为实现光电转换的活性材料。与无机太阳能电池相比，它具有成本低、厚度薄、质量轻、制造工艺简单、可做成大面积柔性器件等优点，具有广阔的发展和应用前景，已成为当今新材料和新能源领域最富活力和生机的研究前沿之一。

简介

      有机太阳能电池是成分全部或部分为有机物的太阳能电池 ，他们使用了导电聚合物 或小分子用于光的吸收和电荷转移。有机物的大量制备、相对价格低廉，柔软等性质使其在光伏应用方面很有前途。

通过改变聚合物等分子的长度和官能团可以改变有机分子的能隙，有机物的摩尔消光系数 很高，使得少量的有机物就可以吸收大量的光。[1]

      相对于无机太阳能电池，有机太阳能电池的主要缺点是较低的能量转换效率，稳定性差和强度低。

有机材料

      太阳能电池是一个特别的半导体二极管，它可能将可见光能转化为直流电，一些太阳能电池可能转化红外和紫外光的能量为直流电。

      通常用于有机光伏电池的材料都是有大量共轭键的，共轭键是由交替碳碳单键和双键组成的，共轭键的电子的简并轨道是离域的，形成了离域成键轨道π轨道和反键轨道π*。离域π键是最高占据轨道(HOMO)，反键轨道π*是最低未占据轨道(LUMO)。HOMO和LUMO的能级差被认为是有机电子材料的[带隙]，带隙一般在1-4 eV。

      当这些材料吸收了一个光子，就形成了激发态，并被局限在一个分子或一条聚合物的链，激发态可以被看作是在静电力作用结合的一个电子和空穴，也就是激发子，简称激子。在光伏电池中，激子在不同物质的异质结形成的有效场中成为自由的电子空穴对，有效场使电子从吸光体（也就是电子给体）的导带降到受体分子的导带上从而破坏了激子，因此电子受体材料的导带边界，也就是它的LUMO必须低于吸光体材料。

分类原理

      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。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、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。

肖特基电池

      肖特基电池是最早期的有机太阳能电池，即在真空条件下把有机半导体染料如酞菁等蒸镀在基板上形成夹心式单层结构。对于肖特基型电池而言光激发形成的激子，在肖特基结的扩散层内被节区的电场驱使下实现正负电荷分离；在器件中其它位置上形成的激子，必须先移动到扩散层内才可能形成对光电流的贡献，而有机染料内激子的迁移距离相当有限，通常<10nm，因此大多数激子在分离成电子和空穴之前就发生了复合，导致该类器件的光电转换效率较低

异质结有机太阳能

      异质结有机太阳能电池分为双层异质结电池、体异质结太阳能电池和扩散双层异质结电池等几种较常见的结构，其中体异质结太阳能电池是目前有机聚合物太阳能电池研究中最主要的器件结构。体异质结结构简单说就是将施主材料和受主材料混合分布在同一层中，从而大大增加了施主/受主界面的面积，使得激子能够运动非常短的距离就可以得到有效分离。另一方面，将两种材料混合在一起之后，若其中一种材料具有良好的成膜性，则可通过旋涂、喷墨打印等方式制备活性层，不需真空过程，可很大程度上简化器件的制备过程，大幅降低器件成本。

染料敏化太阳能电池

      染料敏化太阳能电池主要是模仿光合作用原理，以TiO2，ZnO，SnO2等宽禁带的氧化物型纳米级半导体为电极，使用染料敏化、无机窄禁带半导体敏化、过渡金属离子掺杂敏化、有机染料/无机半导体复合敏化以及TiO2表面沉积贵金属等方法制成的太阳能电池。目前染料敏化太阳能电池的效率已经>11%，这种电池的突出优点是原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。但是由于其有源层呈液态，易泄漏、易结晶，故人们的研究方向逐步转向全固态有机太阳能电池，即以酞菁、卟琳、芘、叶绿素等为基体材料的有机小分子太阳能电池和以有机聚合物为基体材料的有机聚合物太阳能电池。而按照有机半导体层材料的差别，全固态有机太阳能电池又可分单层（单一有机或聚合物材料）结构、双层（给体，受体）异质结结构和本体（给体/受体共混）异质结结构。最初的全固态有机太阳能电池都是单层结构，即肖特基电池；双层和本体（给体/受体共混）异质结结构即上面所提到的异质结太阳能电池。



有机太阳能电池优点

     相对于无机太阳能电池，有机太阳能电池具有如下优点：

   （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。

有机太阳能电池缺点

      目前有机太阳电池的转换效率较低且寿命短，尚未进入使用阶段，存在着载流子迁移率低、结构无序、高的体电阻以及电池的耐久性差等问题，造成有机太阳能电池性能低下的原因主要有：

   （1）由于有机材料分子间相互作用力很弱，大都为无定型，即使有结晶度，也是无定型与结晶形态的混合，光照射后生成的光生载流子主要在分子内的共轭价键上运动，电荷的传输是通过载流子在相邻的分子态之间进行跳跃实现的，导致了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）有机半导体在吸收太阳光后会产生束缚的空穴-电子对——“激子”，激子的分离与迁移并非全部有效，首先其扩散距离短，通常仅约为10nm，其次激子分离后产生的电子和空穴在一般有机材料中的传输速率不高，传输的过程中往往会受到电子和空穴复合的影响，并且电子和空穴传输到电极表面进入电极时通常要克服一个势垒，这样激子在半导体薄膜的迁移过程中就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。

发展前景

      目前光伏电池研究的方向是开发高效低成本的电池材料和制造技术。

      有机聚合物光伏电池采用共轭聚合物作为光伏材料，制作工艺简单、成本低廉，可大面积制造，这使得有机聚合物光伏电池的研究越来越受到重视。虽然聚合物光伏电池的研究在最近几年取得了显著的发展，但其光电转换效率仍很低，只有得到高效率、性能稳定的光伏电池，才能实现聚合物光伏电池的商业化。

      对于有机聚合物光伏电池效率的提高可以通过材料的选择和器件结构的优化来实现。另外从理论上就器件中激活层的厚度、给体受体所形成的微观结构对光电流、激子分裂效率的影响，电池的串、并联电阻对电池的伏安特性的影响等进行模拟分析，也为获得高转换效率的有机光伏电池提供了一个重要途径。