有機太陽能電池基本原理分析目錄TOC\o"1-3"\h\u12077有機太陽能電池基本原理分析 1230331有機太陽能電池的光電機制 1197682有機太陽能電池的結(jié)構(gòu) 2143993有機太陽能電池的基本參數(shù) 42513參考文獻 61有機太陽能電池的光電機制無機半導(dǎo)體材料的連續(xù)能級導(dǎo)致能級較窄，離域化載流子，吸光產(chǎn)生的Wannier激子幾乎形成獨立的空穴和電子。有機半導(dǎo)體材料的非連續(xù)能級導(dǎo)致能級較寬，吸光產(chǎn)生的Frenkel激子半徑小，導(dǎo)致在激發(fā)后，不能直接形成空穴和電子。因此，有機太陽能電池中需要電子給體材料和受體材料，激子在其界面處分離為自由電荷，進一步轉(zhuǎn)移并產(chǎn)生光電。如圖1.2所示，有機太陽能電池分為以下四個步驟：（1）激子的產(chǎn)生；（2）激子擴散；（3）激子的解離；（4）電荷的傳輸和收集。圖1.2有機太陽能電池的基本原理（1）激子的產(chǎn)生活性層吸收光子的能量后，電子由最高占據(jù)軌道（HUMO）躍遷到最低未占據(jù)軌道（LUMO），形成庫倫力束縛的“電子-空穴”對，即激子?；钚詫硬牧蠈μ柟馕芰臀辗秶@著地影響激子的產(chǎn)生。（2）激子擴散激子產(chǎn)生后需要擴散到給體和受體界面發(fā)生解離。一般激子存活的時間極短（小于1fs），激子在活性層中能夠遷移的距離只有5?20nm[28]。未擴散到界面的激子會重新復(fù)合或者通過熱過程衰退，從而降低器件的電流密度，只有在給受體界面20nm以內(nèi)產(chǎn)生的激子才能被充分利用。因此活性層的相分離尺寸是影響激子擴散的重要因素。（3）激子的解離激子擴散到給受體界面，形成電荷轉(zhuǎn)移態(tài)。由于激子是束縛的電子和空穴對，擴散到給受體界面處的激子需要一定的能量才能克服電荷之間的吸引力才能發(fā)生解離。給受體HOMO、LUMO存在的能級差形成的驅(qū)動力促進激子的解離。激子解離后，電子跳躍到受體的LUMO能級上，而空穴留在給體的HOMO能級上，從而實現(xiàn)電子和空穴的分離。以前認為能級差要大于0.3eV才能提供足夠的驅(qū)動力。然而目前已有很多能級差小于0.3eV的報道出現(xiàn)。研究表明這些材料之間存在大的靜電勢差，誘導(dǎo)產(chǎn)生分子間電場，從而有利于激子解離[29]。（4）電荷的傳輸和收集激子發(fā)生解離后，自由電子沿著受體材料形成的通道向負極移動，空穴則通過給體材料形成的通道向正極移動，從而形成電流。為了讓電荷能夠盡可能地到達電極，給受體材料需要能夠形成互穿網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)和有高且平衡的電子和空穴遷移率，確保電荷能高效傳輸并抑制復(fù)合發(fā)生。2有機太陽能電池的結(jié)構(gòu)有機太陽能電池按照活性層的組成可以分為以下四類:（1）單節(jié)有機太陽能電池；（2）雙層異質(zhì)結(jié)有機太陽能電池；（3）本體異質(zhì)結(jié)有機太陽能電池。（1）單層有機太陽能電池如圖1.3所示，單層有機太陽能電池，又稱肖特基太陽能電池。是最早研究的有機太陽能電池類型。單節(jié)有機太陽能電池的活性層是由一層有機半導(dǎo)體材料制備的，有機半導(dǎo)體半導(dǎo)體吸收光子后產(chǎn)生激子。由于共軛聚合物中激子只有大約5?20nm的擴散長度，光生激子需傳輸?shù)诫姌O處，在半導(dǎo)體和電極界面發(fā)生解離，分離后留在半導(dǎo)體中的自由電荷反方向通過半導(dǎo)體傳到對面的電極產(chǎn)生光電流，從而實現(xiàn)了最高約1%的光電轉(zhuǎn)化效率。圖1.3單層有機太陽能電池器件結(jié)構(gòu)示意圖（2）雙層異質(zhì)結(jié)有機太陽能電池如圖1.4所示，雙層異質(zhì)結(jié)有機太陽能電池的活性層分為給體和受體兩層，呈分層排布，該類電池激子在給體/受體（D/A）界面解離。相較于單層電池，此種電池能提高激子分離率，減少電子與空穴的復(fù)合，提高器件效率。圖1.4雙層有機太陽能電池器件結(jié)構(gòu)示意圖（3）本體異質(zhì)結(jié)有機太陽能電池如圖1.5所示，本體異質(zhì)結(jié)有機太陽能電池是由給體和受體混合溶液涂膜制作成的具有納米尺寸D/A互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的電池。與雙層有機太陽能電池對比，其有著巨大的優(yōu)點：活性層中都布滿了D/A異質(zhì)結(jié)界面，給體和受體接觸面積大大增加，減少了激子擴散距離和提升激子解離效率。同時本體異質(zhì)結(jié)有機太陽能電池通過溶液法制備而成，具有操作簡單，成本低等優(yōu)點。至今為止，這類電池有機太陽能電池的只要研究方向，光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)超過18%。圖1.5本體異質(zhì)結(jié)有機太陽能電池器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.6所示，根據(jù)有機太陽能電池活性層的數(shù)量又可以分為單層器件和疊層器件。疊層有機太陽能電池由兩個及兩個以上吸收互補的子電池堆疊組成。2006年，Boer[30]課題組首次制備了疊層有機太陽能電池。疊層太陽能電池能夠有效擴大光吸收范圍，增加電池的開路電壓。疊層器件對材料的要求較為嚴苛，制備工藝較為復(fù)雜。圖1.6疊層有機太陽能電池器件結(jié)構(gòu)示意圖3有機太陽能電池的基本參數(shù)如圖1.7所示，有機太陽能電池的基本性能由以下五個參數(shù)表示：（1）開路電壓（Voc）；（2）短路電流密度（Jsc）；（3）填充因子（FF）；（4）光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）；（5）外量子效率（EQE）。圖1.7有機太陽能電池的J-V曲線圖（1）開路電壓（Voc）有機太陽能電池的開路電壓是指電池斷路狀態(tài)下輸出電流為零時，有機太陽能電池兩端的輸出電壓。單位為V。開路電壓主要取決于給體HOMO能級和受體LUMO能級的差值。一般而言，能極差越大，開路電壓越大[31]。除此之外，開路電壓也與光照強度、活性層形貌有關(guān)。（2）短路電流密度（Jsc）有機太陽能電池的短路電流是指電池短路狀態(tài)下輸出電壓為零時，太陽能電池的電流密度大小。單位為Acm-2或mAcm-2。影響短路電流大小因素很多。其中主要與給受體吸光系數(shù)、活性層載流子遷移率大小與平衡、活性層形貌有關(guān)。（3）填充因子（FF）有機太陽能電池的填充因子（FF）是指最大輸出功率與短路電流密度和開路電壓的乘積的比值。是衡量電池器件性能優(yōu)劣的重要參數(shù)。填充因子的影響因子較為復(fù)雜，主要與活性層形貌有關(guān)。其計算公式如下:FF=（4）光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）是指電池將入射的光能轉(zhuǎn)化為電能的能力，定義為最大輸出功率（Pmax）與入射光功率（Pin）的比值。計算公式如下:PCE=從公式可知光電轉(zhuǎn)換效率與電池開路電壓，短路電流密度、填充因子的大小有關(guān)。（5）外量子效率（EQE）有機太陽能電池的外量子效率（EQE）是指在電池兩電極收集的電子數(shù)與入射光的光子數(shù)的比值。EQE值的大小說明了活性層材料對不同波長光的響應(yīng)能力。其計算公式如下:EQEλ為入射光波長，Ne代表輸出電子數(shù)目，Np代表入射光子數(shù)目，Isc為輸出電流，Pin代表入射光功率，h為普朗克常量，c為光速，q為元電荷。參考文獻[1]Yu,Z.P.,Liu,Z.X.,Chen,F.X.,Qin,R.,Lau,T.K.,Yin,J.L.,Kong,X.Q.,Lu,X.H.,Shi,M.M.,Li,C.Z.andChen,H.Z.SimpleNon-FusedElectronAcceptorsforEfficientandStableOrganicSolarCells[J].NatureCommunications,2019,10,2152.[2]Yao,Z.H.,Li,Y.K.,Li,S.X.,Xiang,J.,Xia,X.X.,Lu,X.H.,Shi,M.M.andChen,H.Z.ConformationLockingofSimpleNon-fusedElectronAcceptorsViaMultipleIntramolecularNoncovalentBondstoImprovethePerformancesofOrganicSolarCells[J].ACSAppliedEnergyMaterials,2020,4(1):819-827.[3]Huang,H.,Guo,Q.X.,Feng,S.Y.,Zhang,C.,Bi,Z.Z.,Xue,W.Y.,Yang,J.J.,Song,J.S.,Li,C.,Xu,X.H.,Tang,Z.J.,Ma,W.andBo,Z.S.NoncovalentlyFused-RingElectronAcceptorswithnear-InfraredAbsorptionforHigh-PerformanceOrganicSolarCells[J].NatureCommunications,2019,10,3038.[4]Dai,P.P.,Zhu,Y.Z.,Liu,Q.L.,Yan,Y.Q.andZheng,J.Y.NovelIndeno[1,2-b]indole-SpirofluoreneDonorBlockforEfficientSensitizersinDye-SensitizedSolarCells[J].DyesandPigments,2020,175,08099.[5]Brebels,J.,Kesters,J.,Defour,M.,Pirotte,G.,VanMele,B.,Manca,J.,Lutsen,L.,Vanderzande,D.andMaes,W.APcpdttpd-BasedNarrowBandgapConjugatedPolyelectrolyteforOrganicSolarCells[J].Polymer,2018,137:303-311.[6]Liang,H.J.,Zhang,X.Y.,Peng,R.X.,Ouyang,X.H.,Liu,Z.Y.,Chen,S.J.andGe,Z.Y.PhotovoltaicPerformanceEnhancementfromDiketopyrrolopyrrole-BasedSolarCellsthroughStructureManipulation[J].DyesandPigments,2015,112:145-153.[7]Monkman,A.P.,P?lsson,L.O.,Higgins,R.W.T.,Wang,C.,Bryce,M.R.,Batsanov,A.S.andHoward,J.A.