有機(jī)太陽(yáng)能電池的基本理論概述目錄TOC\o"1-3"\h\u32488有機(jī)太陽(yáng)能電池的基本理論概述 1202621.1有機(jī)太陽(yáng)能電池的工作原理 1231641.2有機(jī)太陽(yáng)能電池的參數(shù)表征 2318671.3有機(jī)太陽(yáng)能電池存在的主要問(wèn)題及解決辦法 31.1有機(jī)太陽(yáng)能電池的工作原理有機(jī)太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)組成是電極和有源層，電極是以透明導(dǎo)電玻璃(IT0)和金屬電極(Al,Ag,Au)為主?；钚詫硬牧现饕请娮咏o體和電子受體兩種材料。其基本結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。圖1.1電池基本結(jié)構(gòu)示意圖有機(jī)太陽(yáng)能電池基于光生伏特效應(yīng)進(jìn)行工作，大致可分為4個(gè)階段：1、激子的產(chǎn)生給體或受體材料吸收光子并產(chǎn)生激子，其中激子為電子空穴對(duì)[12-13]。2、激子的擴(kuò)散激子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)主要是基于濃度差。同時(shí)在給受體界面處，能級(jí)差將使得電子空穴對(duì)分開。但激子的壽命不是無(wú)限的，因此激子也不會(huì)無(wú)限擴(kuò)散（一般擴(kuò)散距離為10nm左右）。若在可擴(kuò)散的距離內(nèi)電子空穴對(duì)未成功分離，激子就會(huì)發(fā)生復(fù)合，該情況通常會(huì)降低器件性能。為避免該情況，開發(fā)人員通常采用本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)形貌進(jìn)行優(yōu)化，減少激子復(fù)合的同時(shí)提高器件的穩(wěn)定性[14-15]。3、激子的解離經(jīng)過(guò)擴(kuò)散，激子運(yùn)動(dòng)到給受體界面處時(shí)，最終會(huì)在內(nèi)部形成內(nèi)建電場(chǎng)[16]。在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，電子在給體的LUMO能級(jí)和受體的LUMO能級(jí)上進(jìn)行傳輸，空穴在受體的HOMO能級(jí)和給體的HOMO能級(jí)之間進(jìn)行傳輸。激子因此解離成電子空穴對(duì)，該作用的發(fā)生不是憑空完成的，需要提供能量。在一般情況下，激子中的束縛能量大概在0.3~1eV之間，因此給受體之間的LUMO能極差超過(guò)0.3eV才能夠提供足夠的驅(qū)動(dòng)力使激子解離[16]。4、電荷的傳輸和收集不同材料的功函數(shù)會(huì)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，在該驅(qū)動(dòng)力的作用下，解離后的自由電荷將被收集，即自由電子向陰極遷移同時(shí)空穴向陽(yáng)極遷移，收集過(guò)程完成后，將形成電流，最后經(jīng)由外部電路相連通[17-18]。1.2有機(jī)太陽(yáng)能電池的參數(shù)表征有機(jī)太陽(yáng)能電池的器件性能主要取決于5個(gè)參數(shù)：開路電壓（Voc）,短路電流密度（Jsc）,填充因子（FF），光電轉(zhuǎn)換效率（PCE），外量子效率（EQE）。這些參數(shù)是在模擬太陽(yáng)光AM1.5照射條件下，通過(guò)電流-電壓（J-V）曲線確定的。如圖1.2所示的是一個(gè)典型的J-V特性曲線。圖1.2有機(jī)太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線（J-V曲線）圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[19]1、開路電壓（Voc）一般認(rèn)為，當(dāng)器件內(nèi)部電流為零時(shí)，得到的最大輸出電壓即為電池的開路電壓（Voc），如圖1.2中的Voc點(diǎn)所示。器件的開路電壓與溫度、界面結(jié)構(gòu)以及給體受體材料之間的能極差有關(guān)，并且能級(jí)差值的增加會(huì)帶來(lái)開路電壓的提升。但能級(jí)差值如果無(wú)限制的增加，會(huì)導(dǎo)致光吸收能力降低，因?yàn)檫@增加了給體材料的帶隙。2、短路電流密度（Jsc）同樣，當(dāng)器件內(nèi)部電流為零時(shí)，得到的最大輸出電流即為電池的短路電流密度（Jsc），如圖1.2中的Jsc點(diǎn)所示?；钚詫游夂笏a(chǎn)生的激子數(shù)量決定了短路電流密度，因此為了產(chǎn)生更多激子，我們需要將活性層的吸收區(qū)間與太陽(yáng)光譜匹配，從而增加短路電流密度。3、填充因子（FF）填充因子（FF）相較于Voc和Jsc難以理解和調(diào)控，F(xiàn)F主要受活性層形貌和載流子遷移率影響。如圖1.2陰影部分面積所示，填充因子是電池最大輸出功率與開路電壓和短路電流密度乘積的比值。用公式可表示為：（1.1）4、光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）是電池輸出功率與電池表面光照功率的比值，我們判斷器件的性能好壞通常是基于PCE，其表示公式如下：（1.2）5、外量子效率（EQE）外量子效率（EQE）是在特定波長(zhǎng)下活性層吸收的光子轉(zhuǎn)化為外電路的電子數(shù)目與入射的光子數(shù)目的比值。一般可用EQE曲線來(lái)校正電池中的短路電流。其表示公式如下：（1.3）1.3有機(jī)太陽(yáng)能電池存在的主要問(wèn)題及解決辦法雖然有機(jī)太陽(yáng)能電池有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也存在幾個(gè)重要問(wèn)題限制其發(fā)展：電荷輸運(yùn)與收集效率低[20-21]，開路電壓低[20]，光吸收效率低[22]。在這一節(jié)中，我們簡(jiǎn)要的介紹有機(jī)太陽(yáng)能電池發(fā)展所遇到的缺陷以及常見解決辦法。一、主要問(wèn)題1、電荷輸運(yùn)與收集效率低傳統(tǒng)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中，激子需要傳輸?shù)浇o受體界面處才能分離收集，這影響了器件的收集效率。體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)因?yàn)榻o受體相互交錯(cuò)，能夠減少激子傳輸?shù)浇o受體界面處的距離，加速了激子分離，這是制作高效有機(jī)太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵一步。2、開路電壓低每吸收一個(gè)光子會(huì)導(dǎo)致有機(jī)太陽(yáng)能電池?fù)p失相當(dāng)大的能量。給受體材料之間電子轉(zhuǎn)移，以及自由載流子相比較于輻射衰減的非輻射衰變更為迅速，從而造成電壓損耗過(guò)多。非輻射衰減的電壓損失在很大程度上是固有的，主要是由于分子振動(dòng)的能量耗散造成的。3、光吸收效率低有機(jī)太陽(yáng)能電池有源層材料的吸收帶寬通常存在于可見光波段。同時(shí)有源層的厚度受限于激子較短的擴(kuò)散距離，而薄的有源層不能充分吸收入射光。二、解決辦法為了解決以上有機(jī)太陽(yáng)能電池的局限性，將入射光更多束縛在有源層是最直接的方法之一。通過(guò)將一維光子晶體引入到有機(jī)光電器