有機太陽能電池結(jié)構(gòu)與性能提升

1、 Organic Solar Cells : Device architectures, Working principles and Performance improvement硅基太陽電池硅基太陽電池 制造成本高 制備工藝復(fù)雜 消耗能源多，成本回收周期長 制備需要有毒化學(xué)品和大量水資源 器件比較脆弱，無柔性，不能彎曲（支架） 材料的窄帶隙特性使其光腐蝕現(xiàn)象比較嚴重有機太陽電池有機太陽電池 制造成本低 可采用濕法制備大面積均勻膜層(可溶性) 材料可選空間大，可以合成新材料(分子可設(shè)計性) 吸收系數(shù)高，可制成很薄的薄膜 柔韌性高，材料輕便，便于攜帶 Why OPV ?Anode(Al /Ag

2、)Conjugated polymer Transparent cathode1.Device architecturesSingle layer (Schottky type)Anode(Al /Ag)AcceptorDonor Transparent cathodeBi-layer (Planar heter-ojunction -PHJ type) 2009年年4月月26日日nature photonics上的高效單結(jié)電池上的高效單結(jié)電池D-A blendinglayer(Bulk heterojunction BHJ device)Anode Donor :Acceptor Trans

3、parent cathode 理想結(jié)構(gòu)Dead end Anode AcceptorDonor :Acceptor DonorTransparent cathode D-D:A-A layer(Hybrid bulk heterojunction HHJ device)PIN type AndoeN type DonorAcceptor P typeTransparent cathode Tandem Polymer Solar Cells 2007年年,6.5%.采用倒型結(jié)構(gòu)，窄能隙結(jié)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)構(gòu)單元作為第一層。器件最大的特色是在子電

4、池結(jié)構(gòu)單元之間使用了溶膠法制備的透明單元之間使用了溶膠法制備的透明TiOx作為光隔離層作為光隔離層和連接層和連接層 疊層太陽電池的開路電壓一般大于子單元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（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度以及優(yōu)良的連接層以保證子電池之間的歐姆接觸 。Tandem invert

5、ed Polymer Solar Cells 2012年，楊陽研究組的達到年，楊陽研究組的達到10.6%Organic /Inorganic hybrid Solar Cells2.Working principles2.0 Exciton Wannier exciton Charge-transfer exciton Frenkel exciton導(dǎo)帶價帶激子能級n=1 n=2 n=3Wannier exciton(typical of inorganicsemiconductors)SEMICONDUCTOR PICTUREGROUND STATE WANNIER EXCITONbindi

6、ng energy 10meVradius 100Frenkel exciton(typical of organicmaterials)MOLECULAR PICTUREGROUND STATE FRENKEL EXCITON binding energy 1eV radius 10AlEnergy/eVITOAl eVacuum EnergyDonorAcceptormmADID 在有機物中，在有機物中， 分子吸收光子之后，電子將從分子吸收光子之后，電子將從HOMO 躍遷到躍遷到LUMO上，而在上，而在HOMO上留下空穴，這束縛的電子和空穴對即為激上留下空穴，這束縛的電子和空穴對即為激子。

7、子。LUMOHOMOlightAlITO 由于有機分子之間的作用力很小，材料的由于有機分子之間的作用力很小，材料的HOMO 與與LUMO 是不連續(xù)的，電子和空穴的傳輸是跳躍式的是不連續(xù)的，電子和空穴的傳輸是跳躍式的 ，擴散長度，擴散長度Ld 約約520nm 激子在有機質(zhì)中是通過能量傳遞的方式進行輸運的：激子在有機質(zhì)中是通過能量傳遞的方式進行輸運的：AlITOLUMOHOMO分子內(nèi)傳輸 D*1 D2 D*2D1 D*1 D2 D*2D1激子中的電子本身也可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

8、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 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。同時子解離為自由電荷。同時 激子的壽命和擴散長度（激子的壽命和擴散長度（520nm）都）都比較的短，這限制了活性層的厚度比較的短，這限制了活性層的厚度 。通常情況下，有機光伏器。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，即給體件需要一個有效的解離機制來解離激子，即給體/受體界面。受體界面。 D*AA*D 激子在給體激子在給體/受體界面完成光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移

9、后，發(fā)生電荷分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電荷通過跳躍模式（跳躍模式（hopping)或者擴散作用（或者擴散作用（diffusion）進行傳輸，進行傳輸，最終到達電極并被收集而產(chǎn)生光電流。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：自由電荷向電極傳輸?shù)膬煞N驅(qū)動力： 內(nèi)部漸變電場內(nèi)部漸變電場 遷移運動遷移運動 自由電荷自由電荷 的濃

10、度梯度的濃度梯度 擴散運動擴散運動 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要借助逾滲作用（逾滲作用（percolation）進行。進行。 在電極接觸面處，給體的在電極接觸面處，給體的HOMO與與ITO功函數(shù)以及受體的功函數(shù)以及受體的LUMO與金屬功函數(shù)的應(yīng)匹配，與金屬功函數(shù)的應(yīng)匹配， 以實現(xiàn)

11、歐姆接觸，避免電極處的電荷收集以實現(xiàn)歐姆接觸，避免電極處的電荷收集損失損失 。 Schematic and energy diagram of a typical polymer solar cell and its operatione-h+ Anode Cathode Donor AcceptorExciton formationExciton diffusionExciton dissociationCarrier transportCharge collectionOrganic Solar Cell3.Performance improvement光學(xué)：光學(xué)：增加光吸收（陽極陷光結(jié)構(gòu)，薄增加光吸收（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膜干涉效應(yīng)，金屬納米粒子表面等離激元