有机体异质结太阳能电池的数值分析.pdfVIP

第 57卷 第 11期 2008年 l1月 物 理 学 报 Vo1．57，N0．11，November，2008 1000—3290／2008／57(11)／7374—06 ACTA PHYSICA SINICA ⑥2008Chin．Phys．Soe． 有机体异质结太阳能电池的数值分析 邢宏伟 彭应全 杨青森 马朝柱 汪润生 李训栓 (兰州大学物理科学与技术学院，兰州 730000) (2008年 1月20t3收到；2008年4月 15日收到修改稿) 介绍了一种有机体异质结太 阳能电池 的数值模拟方法 ，模型使用 Onsager提 出的成对复合理论 ，并结合 了完善 的无机半导体理论而提出来的，其结果与实验结果符合较好，证明了模型的正确性．在此基础上分析了器件的内建 电场与工作温度对器件性能的影响，以及影响器件光电流的主要因素 ． 关键词：有机太阳能电池，体异质结，数值分析 PACC：8630J，7115Q，7125 成光电流． 1．引 言 本文以Onsager 的成对复合理论和较完善 的 无机半导体相关理论为基础 ，研究有机体异质结太 有机太 阳能电池利用有机半导体薄膜作为光电 阳能电池的数值模型 ．该模型包含了载流子的产生 、 活性介质，由于具有容易加工、价格低廉并能制作大 复合、漂移和扩散等重要物理机理．模型的数值计算 面积柔性器件等优点而备受关注 ．自从人们发现处 与实验结果符合较好 ． 于基态非简并态的共轭聚合物与富勒烯之间有光诱 导电子转移发生以来 ，。这些材料已经被考虑应用 2．理论与模型 于制作大面积 的可折叠 的太 阳能电池 ．体异质结 (BHJ)结构太阳能电池与传统双层异质结太阳能电 有机体异质结太阳能电池器件通过金属．有机 池相 比，克服了几何界面的影响，即只有在 pn结附 半导体一金属的图像来描述 ，其能级分布及电子与空 近吸收的光子才对光电流有贡献 J，而是将电子受 穴传输如图1所示 ．半导体材料的导带底和价带顶 体材料和给体材料混合形成可传输电荷 的渗透网 分别是受体物质最低未占据分子轨道(LUMO)和给 格，从而大幅度提高了短路 电流值 ．太阳能电池 体物质的最高占据分子轨道(HOMO)．受体的LUMO 的转换效率接近 5％，使其 比双层结构有更大的开 与给体 的HOMO的能量之差为其带隙(E )．电子 发前途，因此被认为是光伏器件的主要发展趋势n． 与空穴的复合用 Langevin提出的双分子复合理论来 表述 ．由于器件有机层非常薄 (100nm左右)，我 体异质结太阳能电池吸收光子产生光电流的主 们假定器件 中吸收光子产生激子的产生速率 (G…) 要机理是给体材料和受体材料接触面处吸收光子产 是相 同的． 生激子，在接近给体一受体接触面的区域的激子扩散 自由电荷载流子的产生可分为两个阶段 ，如图 同时以极快的速度分离为成对出现的给体里的空穴 2所示：首先，给体内有机层吸收光子产生束缚电子 和受体里的电子 ．但是由于有机材料的介电常量 空穴对 (激发态激子)．激子 的结合能大约为