有机光伏电池

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。

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。

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。

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。

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。

有机光伏电池的工作机理很大程度上类似于无机光伏电池,但是由于材料本身性质的影响还是有一定区别的。具体区别如下:

1. 无机半导体材料具有能带结构,而有机半导体材料占有不连续的能带(分子轨道)。然而"带隙"的概念经常不恰当的用在有机半导体材料。

2. 当空穴电子对(激子)在无机半导体中形成,它会很快分离。激子在有机半导体中被紧紧的束缚(结合能大约为 0.3-0.5eV)而且他们分离之前需要避免再结合。

3. 与无机半导体相比,有机半导体材料的载流子迁移率还非常低。

4. 有机半导体材料的光吸收系数比无机材料要高许多。

对于电荷转移过程的多学科研究已经有很长的一段时间。为了便于更好的理解,大致将给体-受体混合物中的分子内或分子间的光致电子转移分为以下几个步骤。字母 D和 A 分别代表电子给体和受体,1 和 3 分别代表激发态为单一态和三重态。3

有机光伏电池的工作原理普遍认为是光诱导电子转移的光物理过程,理想的电子整个产生转移过程由以下五步组成: - 7 -

1. 吸光材料的光生激子由基态最高占据分子轨道能级(HOMO)激发到激发态最低非占据分子轨道能级(LUMO),激子产生。

2. 激子在复合前扩散到给体-受体(D/A)界面。

3. 如果给体受体材料的能级差比激子束缚能高,激子就会在 D/A 界面分离。激子分离的电子从给体转移到受体的 LUMO 能级,而空穴留在给体的 HOMO 能级,这一步自由载流子产生。

4. 载流子分别扩散到两电极,电子在受体中扩散,空穴在给体中扩散。

5. 载流子到达电极被收集。

有机太阳能电池发展迅速，它们具有廉价、柔软、轻便等诸多优点，是硅太阳能电池的有力挑战者，有望在未来光伏产业中扮演重要角色。然而，有机太阳能电池的进一步应用仍然受到一些技术因素的制约。首先，有机半导体中激子扩散长度比有机光伏电池活性层厚度短得多，且有机半导体载流子迁移率比硅半导体也小不少;这一固有缺陷要求有机光伏电池具有较薄的活性层以获取更高的能量转换效率,但随着活性层变薄，其光吸收也随之减少。其次，有机太阳能电池的透明电极材料通常是氧化铟锡，这种材料成本较高，且不适合于制造柔性光伏器件。