有机异质结太阳能电池进展描述.doc

有机异质结太阳能电池研究进展 谢小银 潘高峰 * 刘冠辰 李祥 （吉林化工学院 化工与材料工程学院 吉林 吉林 132022） 摘要：本文主要综合论述了有机异质结的理论基础，着重介绍新型光伏材料中的有机异质结的工作机理以及该领域的研究进展，为今后研究有机太阳能电池提供一定的思路。 关键词： 有机异质结; 太阳能电池 近年来，全球变暖，煤炭石油和天然气等化石能源的日趋枯竭，使得能源安全气候变化问题倍加突出。以硅等半导体材料作为太阳能电池以其高效、清洁等优势为解决这些问题提供可能性，但是由于硅基太阳能电池在生产制造过程中高耗能、高污染又会给环境和社会带来了新的压力。为了能彻底解决这些问题，科学家提出了有机异质结薄膜太阳能电池的概念并在此基础上开展大量的研究和探索，同时取得了许多突破性的进展[1-3]。据测算，薄膜太阳能电池的制造成本只有单晶硅太阳能电池的1/5~1/10,且生产工艺简单，未来前景十分广阔。 1. 有机异质结的特性 异质结是指不同半导体材料间两种不同层次或区域之间形成的二维界面，由有机半导体材料形成的异质结即为有机异质结。由于构成异质结的有机半导体材料各自的带隙宽度、功函数的不同，这两种半导体材料分别被称作电子供体和受体半导体。两种材料分子之间由于界面的存在而表现出很弱的分子间作用的同时也导致有机异质结呈现出不同于无机半导体的一些特性，如量子阱效应和电子迁移率发生变大： 1.1 量子阱效应：电子在移动的过程中，由于异质结界面的能阶较低，且空间宽度极小，因而会被限制在界面所在二维曲面上。由此，电子的基本特性会发生改变，例如：能带分裂而导致能级量子化、基态能量增加、以及能态密度改变等，其中能态密度与能阶分布，是决定电子特性很重要的因素。　 1.2 迁移率(Mobility)变大：在半导体中，自由电子主要是由所掺杂材料的分子提供，因此在一般的半导体晶格中，自由电子的运动方向和速度会受到杂质分子或者晶格的碰撞而受到影响和限制。然而在异质结结构中，杂质分子处于界面两侧，而自由电子则被限制在界面上，因此在空间上，自由电子是独立而不受其他分子或晶格的影响所以其迁移率就可以大大增加。这个为提高光电流密度提供了基本条件。图1 简示有机体异质结的界面形态。  图1 有机异质结混合界面，红色和灰色部分分别简示供体和受 体材料在异质结中所呈现出的形态学状态，本图引用自参考文献 [4] 2. 有机异质结太阳能电池中光电流的产生机理： 与硅基半导体相比，形成异质结的有机分子之间的相互作用（主要是范德华力）要弱得多，不同分子自身的能阶排列的变化在形成异质结前后变化也很小，因而在供体和受体分子之间无法形成连续的价带和导带，载流子在有机半导体中的传输，需要通过电荷在不同分子之间的“跳跃”机理来实现。另外，在太阳能电池中，供体材料分子吸收光子而被激发后产生激子即空穴－电子对。由于激子是有带负电荷的电子和带正电荷的空穴通过静电作用结合在一起的整体，所以激子稳定存在的时间极短。在硅基太阳能电池中通常在几个毫秒的时间内，一部分未及时分离的电子和空穴又会重新复合而回到电子基态并释放先前所吸收的能量。因而这部分未能发生分离的激子是根本无法产生光电流的。而在有机异质结太阳能电池中，由于异质结界面的存在而所引发的量子经效应，使得激子在产生后很短的时间内就能实现电子和空穴的分离而避免复合。因此，对比于硅基太阳能电池，异质结光伏材料显著提高激子分离效率而有利于光电流的产生。 发生分离后的自由电子迁移到受体材料的LUMO能级上并最终扩散到电池的负极板上，而空穴则最终扩散到正极板上。 3.有机异质结材料 有机异质结材料按照功能可以分为两种，一种是供体（donor）材料，另外一种就是受体（acceptor）材料。供体材料主要是一些具有典型的单双键交替连接的长链结构的导电高分子聚合物如P3HT 、PCPDTBT等，这种结构有利于形成离域π-π共轭结构，从而使聚合物分子形成连续的导带且拥有相对于单体分子更小的带隙，进而有利于其价电子吸低能量收光子进行跃迁。而受体材料多是富勒烯衍生物如PCBM、ICBA等，研究表明，这些富勒烯衍生物所形成的笼状共轭结构有利于吸收外部注入的自由电子。 4.太阳能电池能量转换效率 据测算，太阳能电池能量转化效率（Poverty Conversion Efficiency）需要达到15%以上才具有才能产生商业效益。因此，不断提升太阳能电池的转化效率正是该领域研究人员的最主要的努力方向。 PCE=E1/E2 其中，E1表示单位时间内单位面积上太阳能电池产生的电能