第八章 有机聚合物太阳电池(2)

结构示意图中, D和A互相渗透形成微相分离的互相渗透的连续网络结构,提供了电荷分离所需要的大量界面。但是这种体系需要特殊的层压技术,操作相对比较复杂 。

图4

有机太阳能电池的基本原理与无机太阳能电池类似:(1)一定光照射到有机光伏器件后,具有能量hν(>Eg)的光子被有机半导体层吸收,就会激发一个电子(●)从价带跃迁到导带,而在价带处留出空位,这一空位被称为空穴(○),空穴带有正电荷;(2)在传统的半导体中,被激发的电子和形成的空穴会自由地向相反电极方向移动。而在导电聚合物中,受入射光子激发而形成的电子和空穴则会以束缚的形式存在,成为激子;(3)通常这些电子-空穴是在光子激发时形成的,如果在电场或在界面处,这些电子-空穴对就会分离成电子和空穴,也就是所谓的带电载流子,它们的迁移就形成了光电流(见图5)。

图5 有机太阳能电池基本原理示意图

图 6 就是给体-受体(Donor-Acceptor)结构。受激发的电子给体吸收光子, 其HOMO 轨道上的一个电子跃迁到LUMO, 通常由于给体LUMO 的电离势比受体LUMO 的电离势低, 电子就由给体转移到受体, 完成了电子的转移激子分离后产生的电子和空穴向相反的方向运动,

被收集在相应的电极上, 就形成了光电压。

图6 有机太阳能电池原理图

描述有机太阳能电池性能的主要参数有:

1 短路电流 Isc, 开路电压Voc。这两个参数都是在已知功率(W )和能量的光照下测量的。

2 用来表示由于器件的电阻而导致的损失的参数填充因子(FF)

FF=(IV)max/ IscVoc

3 表示电池主要性能的参数能量转换效率（ηp）

ηp=Pout/Pin=(IV) max /LA ηp= FF IscVoc/ LA

4 外量子效率(EQE)

EQE =外部电路电子数/入射光子数

通过测量电流-电压曲线(I-V ) (如图 7)和电流-光谱响应曲线来描述电池的性能。

图7

8.3有机太阳能电池结构

8.3.1.单层结构及其改性（单质结结构）

最简单的结构就是两个电极之夹着一层有机材料的单质结器件(见图8)。电极一般都是ITO和低功函数金属A l、Ca、M g。对于单层结构电池来说，其内建电场起源于两个电极的功函数差异或者金属-有机染料接触而形成的Schottky-barrier。该电场使得材料吸收光子产生的激子分离，从而产生了正负电子。只有当激子扩散到电极和材料接触处激子才可能分离，一般激子的扩散长度只有1～10 nm。这就限制了这种器件的光电特性。目前发现对有机材料进行I2等掺杂可提高有机材料的电导率；通过表面离子极化(Surface PlasmonPo la riton s)激发技术提高光吸收量可以提高电池的光电转换效率。

[1]

图8

B.O' Regan等报道过一种低成本、高效率的有机太阳能电池(图9)。即在纳米TiO2半导体上涂覆单层电荷转移染料(联吡啶钌)来敏化薄膜。由于纳米TiO2半导体膜大的表面积和染料良好的光谱性能以及染料分子与TiO2分子的直接接触；因而具有优异的光吸收及光电转换特性。在模拟太阳光照射下，该电池的光电转换效率为7.1%—7.9%；在漫射的白光下达12%，这比常规的硅太阳能电池还高，并有该电池由于复合而导致的损失几乎为零。

[2]

图9

2.双层结构（p-n异质结结构）

对于单层器件，激子的扩散长度很短使得产生的激子容易复合。我们用给体2受体异质结结构可以提高激子的分离几率，而且也增宽了器件吸收太阳光谱的带宽(见图10)。由施主和受主对材料组成的高聚物体系在本质上可以获得像半导体一样的p-n结。当光与施主分子相互作用时，电子就能够从低的分子轨道提升到高的分子轨道从而产生激子。在没有外界的影响下，驰豫过程随后产生；在此期间电子和空穴复合导致能量发射(通常是以比产生原跃迁波长更长的光的形式发射)，但是如果受体存在，电子就向受主传输从而发生电荷分离。

图10

在1986年，C.W.Tang首次报道了双层有机太阳能电池(ITO/CuPc/PV/Ag)，其转换效率大约1%，Fill因子达到0.65。经电池稳定性测定，Voc和Isc都表现出极低的衰减(<2%)；而Fill因子却降低了近30%，这主要是由于Ag电极衰减而引起电池大的串联电阻。

与Schottky-type电池相比，有机p-n异质结光电池有许多诱人的特点：对有机材料的合理选择可以制造出宽光谱范围响应的器件；各种各样染料的电子施主-受主相互作用使得光生带电载流子的高产率成为可能。利用p型高效应的TiOPc光电导体分子材料和全部由共轭π键连结的巴基球结构的新颖n型C60分子， H. Yonchara等制造了Al/C60/α-TiOPc/ITO和ITO/C60/α-TiOPc/Cr·Au等光电池，期望C60和TiOPc组合能够形成很好的p-n结。Al/C60/α-TiOPc/ITO (a)与Al/α-TiOPc/ITO(b)电池相比具有有更好的光活性，

图(9)的短路电流密度(Jsc)和能量转换效率(η)分别是图(11)的25倍和11.5倍。并且图(9)的η的值比报道过ITO/MEH-PPV/C60/Au电池大一个数量级。由于C60膜层与Al电极之间没有光伏打效应，所以其光伏打效应是由于C60与α-TiOPc之间形成的p-n结；自由载流子起源于形成的p-n结。同时发现电极影响此电池的性能。我们知道，绿色植物光合作用中心是多步电子转移的体系，而这种体系是由一系列按能量和空间排列的分子组成，这有效地提高了光引发电荷的分离。

从这一现象出发，M.Hiramoto等构造了相似的有机p-n异质结太阳能电池(图11)。该电池由n型多层的两种不同染料和p型无金属酞菁组成。相对单层的Me-PTC或Im-PTC n型电池来说，n型多层电池的Φ°值(在短路情况下集聚的载流子数目与有机层吸收光子数目的比值)在全光谱区域提高了近3倍。

M.Hiramoto等的解释是：两种染料的价带能级几乎相等，而不同的导带能级在Im-PTC/Me-PTC界面形成下降的势能梯度。这种势能梯度产生两个结果：1.产生于Me-PTC膜层光生电子沿着势能下降(downward potential)的方向迅速进入Im-PTC层，2.产生于Im-PTC膜层的光生电子或者从Me-PTC注入的电子由于势垒而被阻向Me-PTC膜层转移。这样，在p-n结附近的光生载流子的复合被有效地抑制了。在他们的研究中，由于光是从Au电极入射；因此排除了认为作为后电极的Au对通过透明ITO电极的入射光的反射而导致光电流的增大。M.Hiramoto认为在n型多层p-n异质结体系里，势能梯度并不有助于产生载流子的增加而是抑制了光生载流子的复合；这种抑制起因是Im-PTC和Me-PTC费米能级的相互接近。 3.多层结构

为了进一步提高光伏打效率，p-n异质结的改进型p-i-n多层结构有机太阳能电池也进行研究。M.Hiramoto等制备了太阳能电池结构，其中间层是Me-PTC和H2Pc两分离源同时气相沉积而成。在100mw/cm2的白光照射下，该电池的功率转换效率达到0.7%，Φ°值在全光谱区域大约是双层电池的3倍。而且当Me-PTC与H2Pc在共积层中的比为 1∶1时，Φ°值达到最大值。这主要是由于共沉积层中n型与p型酞菁分子直接接触对光生带电载流子产率起着重要作用。电子和空穴一旦产生，就通过不同的渠道(Me-PTC和H2Pc)进行传输；而共沉积层对此并不产生干扰。不同的染料之间形成的不完整的p-n结势垒，使得电子和空穴很难相互接近。就其三层结构光电池而言，M.Hiramoto等得出如下结论：1.在共沉积层中有效的光生载流子是经过(PTC-—Pc+)*激化激元产生。(而基于非本征激子的分离可能也是载流子产生的一种机制。2.对如同p-i-n型的能带结构， …… 此处隐藏：1849字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……