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。