有机太阳能电池的原理和应用

摘要：有机半导体材料以其原料易得，廉价，制备工艺简单，环境稳定性高，可折叠，有
良好的光伏效应等优点，日益被人们所重视。本文首先介绍了有机太阳能电池的结构及基本
原理，评述了有机太阳能电池的应用，列举了制造高效、稳定的有机太阳能电池的挑战，并
对它的未来发展前景作了展望。

　　关键字：有机太阳能电池有机化合物载流子

　　一、结构和基本原理

　　目前的有机太阳能电池可以分为三类。

　　

1.1 肖特基型有机太阳能电池

　　第一个有机光电转化器件是由

Kearns 和 Calvin 在 1958 年制备的，其主要材料为镁酞

菁（

MgPc）染料，染料层夹在两个功函数不同的电极之间。在这种有机半导体器件中，电

子在光照下被从

HOMO 能级激发到 LUMO 能级，产生一对电子和空穴。电子被低功函数的

电极提取，空穴则被来自高功函数电极的电子填充，由此在光照下形成光电流。理论上，有
机半导体膜与两个不同功函数的电极接触时，会形成不同的肖特基势垒。这是光致电荷能定
向传递的基础。因而此种结构的电池通常被称为

“肖特基型有机太阳能电池”。在这个器件上，

他们观测到了

200mV 的开路电压，光电转化效率很低。此后二十多年间，有机太阳能电池

领域内创新不多，所有报道的器件之结构都类似于

1958 年版，只不过是在两个功函数不同

的电极之间换用各种有机半导体材料。由于肖特基型有机太阳能电池是单纯由一种纯有机化
合物夹在两层金属电极之间制成的，因此效率比较低，现在已经被淘汰。

　　

1.2 双层膜异质结型有机太阳能电池

　　在肖特基型有机太阳能电池的基础上，

1986 年，行业内出现了一个里程碑式的突破。

实现这个突破的是柯达公司的邓青云博士。这个时代的有机太阳能电池所采用的有机材料主
要还是具有高可见光吸收效率的有机染料。邓青云的器件之核心结构是由四羧基苝的一种衍
生物（又称作

PV）和铜酞菁（CuPc）组成的双层膜。这种太阳能电池又叫做 p-n 异质结型

有机太阳能电池。在双层膜结构中，

p-型半导体材料（电子给体（Donor），以下简记为

D）和 n-型半导体材料（电子受体（Acceptor），以下简记为 A）先后成膜附着在正负极上
（下图）。

D 层或者 A 层受到光的激发生成激子，激子扩散到 D 层和 A 层界面处发生点电

荷分离生成载流子，然后电子经

A 层传输到电极，空穴经 D 层传输到对应的电极。