OrganicSolarCells:

Devicearchitectures,WorkingprinciplesandPerformanceimprovementOrganicSolarCells:1有機太陽能電池結(jié)構(gòu)與性能提升課件2

WhyOPV?WhyOPV?3Anode(Al/Ag)ConjugatedpolymerTransparentcathode1.DevicearchitecturesSinglelayer(Schottky–type)Anode(Al/Ag)1.Devicearchite4Anode(Al/Ag)AcceptorDonorTransparentcathodeBi-layer(Planarheter-ojunction-PHJtype)2009年4月26日《naturephotonics》上的高效單結(jié)電池Anode(Al/Ag)Bi-layer5有機太陽能電池結(jié)構(gòu)與性能提升課件6D-Ablendinglayer(Bulkheterojunction–BHJdevice)AnodeDonor:AcceptorTransparentcathode理想結(jié)構(gòu)Deadend

D-AblendingAnode理想結(jié)構(gòu)Deaden7AnodeAcceptorDonor:AcceptorDonorTransparentcathodeD-D:A-Alayer(Hybridbulkheterojunction–HHJdevice)AnodeD-D:A-A8PINtype

AndoeNtypeDonorAcceptorPtypeTransparentcathodePINtypeAndoeNtypeDonorAc9TandemPolymerSolarCells2007年<<science>>,6.5%.采用倒型結(jié)構(gòu)，窄能隙結(jié)構(gòu)單元作為第一層。器件最大的特色是在子電池結(jié)構(gòu)單元之間使用了溶膠法制備的透明TiOx作為光隔離層和連接層TandemPolymerSolarCells20010

疊層太陽電池的開路電壓一般大于子單元（理想情況下，等于子單元開路電壓之和），總電流決定于電流較小的子單元，其轉(zhuǎn)換效率主要受光生電流的限制,設(shè)計的關(guān)鍵是合理地選擇各子電池的能隙寬度和厚度以及優(yōu)良的連接層以保證子電池之間的歐姆接觸。疊層太陽電池的開路電壓一般大于子單元（理11TandeminvertedPolymerSolarCells

2012年，楊陽研究組的達到10.6%TandeminvertedPolymerSolar12Organic/InorganichybridSolarCellsOrganic/InorganichybridSo13

2.1光子捕獲吸收---激子產(chǎn)生2.2能量傳輸與轉(zhuǎn)移---激子擴散2.3電荷的轉(zhuǎn)移和分離---激子解離2.4載流子的輸運和收集2.Workingprinciples2.Workingprinciples142.0Exciton?Wannierexciton?Charge-transferexciton?Frenkelexciton導(dǎo)帶價帶激子能級n=1n=2n=32.0Exciton?Wannierexciton15Wannierexciton(typicalofinorganicsemiconductors)SEMICONDUCTORPICTUREGROUNDSTATEWANNIEREXCITONbindingenergy~10meVradius~100?Frenkelexciton(typicaloforganicmaterials)MOLECULARPICTUREGROUNDSTATEFRENKELEXCITONbindingenergy~1eVradius~10?WannierexcitonSEMICONDUCTORP16AlEnergy/eVITOAleVacuumEnergyDonorAcceptorφmφmADIDAlEnergy/eVITOAleVacuumEn17

2.1.光子捕獲吸收---激子產(chǎn)生

在有機物中，

分子吸收光子之后，電子將從HOMO躍遷到LUMO上，而在HOMO上留下空穴，這束縛的電子和空穴對即為激子。LUMOHOMOlightAlITO2.1.光子捕獲吸收---激子產(chǎn)生LUMOHOMOl182.2能量傳輸和轉(zhuǎn)移---激子擴散/輸運

由于有機分子之間的作用力很小，材料的HOMO與LUMO是不連續(xù)的，電子和空穴的傳輸是跳躍式的，擴散長度Ld約5~20nm

激子在有機質(zhì)中是通過能量傳遞的方式進行輸運的：

Foster能量轉(zhuǎn)移Dexter能量轉(zhuǎn)移2.2能量傳輸和轉(zhuǎn)移---激子擴散/輸運19AlITOLUMOHOMO分子內(nèi)傳輸D*1D2D*2D1

偶極-偶極能量轉(zhuǎn)移(分子間Foster能量轉(zhuǎn)移)：將激子視為偶極子，它與其他偶極子之間存在相互作用。激子偶極子的振動將引起臨近分子的振動，以此可以將激子的能量傳遞給臨近分子AlITOLUMOHOMO分子內(nèi)傳輸D*120D*1D2D*2D1

電子交換能量轉(zhuǎn)移（Dexter能量轉(zhuǎn)移)：激子中的電子本身也可以由激發(fā)態(tài)的分子躍遷到鄰近的基態(tài)分子的最低空軌道上，與此同時，空穴也躍遷到同一基態(tài)分子的最高占據(jù)軌道上，以平衡電荷

D*1D2D*2D1212.3.電荷的轉(zhuǎn)移和分離---激子解離

有機材料中激子束縛能較大，室溫下的熱能不足以將光生激子解離為自由電荷。同時激子的壽命和擴散長度（5~20nm）都比較的短，這限制了活性層的厚度。通常情況下，有機光伏器件需要一個有效的解離機制來解離激子，即給體/受體界面。

D*AA*D2.3.電荷的轉(zhuǎn)移和分離---激子解離有機材22

激子在給體/受體界面完成光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移后，發(fā)生電荷分離，成為自由電荷：空穴在給體中，電子在受體中。它們必須在有機層中傳輸至各自的電極才能被收集。有機材料的定域性使得電荷通過跳躍模式（hopping)或者擴散作用（diffusion）進行傳輸，最終到達電極并被收集而產(chǎn)生光電流。

自由電荷向電極傳輸?shù)膬煞N驅(qū)動力：

內(nèi)部漸變電場——遷移運動自由電荷的濃度梯度——擴散運動2.4.載流子的輸運和收集激子在給體/受體界面完成光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移后，23

對于體相異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，由于給體與給體分子之間或者受體與受體之間將可能存在一定距離，這將會使空穴在給體或者電子在受體中通過遷移和擴散進行的輸運出現(xiàn)不連續(xù)的情況，載流子的輸運需要借助逾滲作用（percolation）進行。

在電極接觸面處，給體的HOMO與ITO功函數(shù)以及受體的LUMO與金屬功函數(shù)的應(yīng)匹配，

以實現(xiàn)歐姆接觸，避免電極處的電荷收集損失

。

在電極接觸面24Schematicandenergydiagramofatypicalpolymersolarcellanditsoperatione-h+

Anode

Cathode

Donor

AcceptorExcitonformationExcitondiffusionExcitondissociationCarriertransportChargecollectionOrganicSolarCellSchematicandenergydiagramo253.Performanceimprovement光學(xué)：增加光吸收（陽極陷光結(jié)構(gòu)，薄膜干涉效應(yīng)，金屬納米粒子表面等離激元，光譜裝換）電學(xué)：利于載流子輸運（活性層形貌控制，界面能級調(diào)整等）3.Performanceimprovement光學(xué)：增加26

退火處理

載流子的傳輸對材料的形貌，顆粒的大小較為敏感。退火的應(yīng)用使得材料進行重新的組織形成一定的晶態(tài)和良好的雙聯(lián)通結(jié)構(gòu)，自組裝程度高，薄膜結(jié)晶度和形貌好，從而改善遷移率，改進器件性能。

溫度

時間

溶劑退火

退27

成膜工藝

有機器件一般采用真空蒸鍍的方式來沉積薄膜，當(dāng)然對于大分子最常用的是旋涂。

成分比例

厚度

溶劑

成膜工藝28

器件結(jié)構(gòu)的界面修飾

電極修飾的目的是使其功函數(shù)與給體材料的HOMO或受體材料的LUMO相匹配，以提高電荷抽取/注入效率，阻擋激子和非收集載流子的傳輸。ITO光陽極的處理:

氧等離子體處理，旋涂PEDOT:PSS,金納米顆粒薄膜修飾等。

較為常見的陰極修飾：

金屬氟化物

，TiOx，ZnO，Cs2CO3等器件結(jié)構(gòu)的29

薄膜干涉效應(yīng)

金屬納米粒子

表面等離激元薄膜干涉效應(yīng)30

Spectralconversion

Spectralconversion31懇請批評指正謝謝懇請批評指正32

OrganicSolarCells:

Devicearchitectures,WorkingprinciplesandPerformanceimprovementOrganicSolarCells:33有機太陽能電池結(jié)構(gòu)與性能提升課件34

WhyOPV?WhyOPV?35Anode(Al/Ag)ConjugatedpolymerTransparentcathode1.DevicearchitecturesSinglelayer(Schottky–type)Anode(Al/Ag)1.Devicearchite36Anode(Al/Ag)AcceptorDonorTransparentcathodeBi-layer(Planarheter-ojunction-PHJtype)2009年4月26日《naturephotonics》上的高效單結(jié)電池Anode(Al/Ag)Bi-layer37有機太陽能電池結(jié)構(gòu)與性能提升課件38D-Ablendinglayer(Bulkheterojunction–BHJdevice)AnodeDonor:AcceptorTransparentcathode理想結(jié)構(gòu)Deadend

D-AblendingAnode理想結(jié)構(gòu)Deaden39AnodeAcceptorDonor:AcceptorDonorTransparentcathodeD-D:A-Alayer(Hybridbulkheterojunction–HHJdevice)AnodeD-D:A-A40PINtype

AndoeNtypeDonorAcceptorPtypeTransparentcathodePINtypeAndoeNtypeDonorAc41TandemPolymerSolarCells2007年<<science>>,6.5%.采用倒型結(jié)構(gòu)，窄能隙結(jié)構(gòu)單元作為第一層。器件最大的特色是在子電池結(jié)構(gòu)單元之間使用了溶膠法制備的透明TiOx作為光隔離層和連接層TandemPolymerSolarCells20042

疊層太陽電池的開路電壓一般大于子單元（理想情況下，等于子單元開路電壓之和），總電流決定于電流較小的子單元，其轉(zhuǎn)換效率主要受光生電流的限制,設(shè)計的關(guān)鍵是合理地選擇各子電池的能隙寬度和厚度以及優(yōu)良的連接層以保證子電池之間的歐姆接觸。疊層太陽電池的開路電壓一般大于子單元（理43TandeminvertedPolymerSolarCells

2012年，楊陽研究組的達到10.6%TandeminvertedPolymerSolar44Organic/InorganichybridSolarCellsOrganic/InorganichybridSo45

2.1光子捕獲吸收---激子產(chǎn)生2.2能量傳輸與轉(zhuǎn)移---激子擴散2.3電荷的轉(zhuǎn)移和分離---激子解離2.4載流子的輸運和收集2.Workingprinciples2.Workingprinciples462.0Exciton?Wannierexciton?Charge-transferexciton?Frenkelexciton導(dǎo)帶價帶激子能級n=1n=2n=32.0Exciton?Wannierexciton47Wannierexciton(typicalofinorganicsemiconductors)SEMICONDUCTORPICTUREGROUNDSTATEWANNIEREXCITONbindingenergy~10meVradius~100?Frenkelexciton(typicaloforganicmaterials)MOLECULARPICTUREGROUNDSTATEFRENKELEXCITONbindingenergy~1eVradius~10?WannierexcitonSEMICONDUCTORP48AlEnergy/eVITOAleVacuumEnergyDonorAcceptorφmφmADIDAlEnergy/eVITOAleVacuumEn49

2.1.光子捕獲吸收---激子產(chǎn)生

在有機物中，

分子吸收光子之后，電子將從HOMO躍遷到LUMO上，而在HOMO上留下空穴，這束縛的電子和空穴對即為激子。LUMOHOMOlightAlITO2.1.光子捕獲吸收---激子產(chǎn)生LUMOHOMOl502.2能量傳輸和轉(zhuǎn)移---激子擴散/輸運

由于有機分子之間的作用力很小，材料的HOMO與LUMO是不連續(xù)的，電子和空穴的傳輸是跳躍式的，擴散長度Ld約5~20nm

激子在有機質(zhì)中是通過能量傳遞的方式進行輸運的：

Foster能量轉(zhuǎn)移Dexter能量轉(zhuǎn)移2.2能量傳輸和轉(zhuǎn)移---激子擴散/輸運51AlITOLUMOHOMO分子內(nèi)傳輸D*1D2D*2D1

偶極-偶極能量轉(zhuǎn)移(分子間Foster能量轉(zhuǎn)移)：將激子視為偶極子，它與其他偶極子之間存在相互作用。激子偶極子的振動將引起臨近分子的振動，以此可以將激子的能量傳遞給臨近分子AlITOLUMOHOMO分子內(nèi)傳輸D*152D*1D2D*2D1

電子交換能量轉(zhuǎn)移（Dexter能量轉(zhuǎn)移)：激子中的電子本身也可以由激發(fā)態(tài)的分子躍遷到鄰近的基態(tài)分子的最低空軌道上，與此同時，空穴也躍遷到同一基態(tài)分子的最高占據(jù)軌道上，以平衡電荷

D*1D2D*2D1532.3.電荷的轉(zhuǎn)移和分離---激子解離

有機材料中激子束縛能較大，室溫下的熱能不足以將光生激子解離為自由電荷。同時激子的壽命和擴散長度（5~20nm）都比較的短，這限制了活性層的厚度。通常情況下，有機光伏器件需要一個有效的解離機制來解離激子，即給體/受體界面。

D*AA*D2.3.電荷的轉(zhuǎn)移和分離---激子解離有機材54

激子在給體/受體界面完成光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移后，發(fā)生電荷分離，成為自由電荷：空穴在給體中，電子在受體中。它們必須在有機層中傳輸至各自的電極才能被收集。有機材料的定域性使得電荷通過跳躍模式（hopping)或者擴散作用（diffusion）進行傳輸，最終到達電極并被收集而產(chǎn)生光電流。

自由電荷向電極傳輸?shù)膬煞N驅(qū)動力：

內(nèi)部漸變電場——遷移運動自由電荷的濃度梯度——擴散運動2.4.載流子的輸運和收集激子在給體/受體界面完成光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移后，55

對于體相異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，由于給體與給體分子之間或者受體與受體之間將可能存在一定距離，這將會使空穴在給體或者電子在受體中通過遷移和擴散進行的輸運出現(xiàn)不連續(xù)的情況，載流子的輸運需要借助逾滲作用（percolation）進行。

在電極接觸面處，給體的HOMO與ITO功函數(shù)以及受體的LUMO與金屬功函數(shù)的應(yīng)匹配，

以實現(xiàn)歐姆接觸，避免電極處的電荷收集損失

。

在電極接觸面56Schematicandenergydiagramofatypicalpolymersolarcellanditsoperatione-h+

Anode

Cathode

Donor

AcceptorExcitonformationExcitondiffusionExcitondissociationCarriertransportChargecollectionOrganicSolarCellSchematicandenergydiagramo573.Performanceimprovement光學(xué)：