有机太阳能电池研究现状与进展

有机太阳能电池研究现状与进展 文子桃 10131221

中国石油大学（华东）资源1004班

摘要 用有机半导体制作太阳能电池，工艺简单，成本低廉，虽然目前转换效率

较低，但具有发展的潜在优势。文章介绍了有机太阳能电池基本性质、结构、原理；从器件结构、材料选择、工艺技术等方面时近儿年来研究的几种有机大阳能电池现状和进展做了系统综述，并且分析了有机太阳能电池的缺陷和产生原因，以及它的未来发展趋势也进行了简要描述。

关键字 有机太阳能电池 性质 结构 原理 光电转换效率 现状 缺陷 展望

一、引言

在1954 年贝尔实验室Chapin.D.M等人[1]制作了光电转化效率达6%的太阳能电池, 标志着商业化太阳能电池研究的开始。到20 世纪70 年代, 用于卫星的半导体硅太阳能的光电转化效率已达到15%～20%。但硅系列太阳能电池材料纯度要求很高且制作工艺复杂, 因此成本高, 难以大规模生产。其它类型半导体材料的太阳能电池因存在材料来源及工艺等问题也同样难以得到推广。而有机太阳能电池以其材料来源广泛、制作成本低、耗能少、可弯曲、易于大规模生产等突出优势显示了其巨大开发潜力, 成为近十几年来国内外各高校及科研单位研究的热点。

1906 年和1913 年Pochettino[2]和Volmer 分别报道了有机固态蒽晶体的光导效应, 成为有机太阳能电池研究的标志性开端, 并为以后的发展奠定了基础。但自第1 个有机太阳能电池问世以来, 其转化效率一直不高, 至其最高转化效率也只有10%左右, 与无机太阳能电池相比仍有很大差距。有机太阳能电池低的光电转换效率限制了其市场化进展, 因此提高有机太阳能电池的光电转化效率成为研究的重点。近年来, 国内外为提高有机太阳能电池的光电转化效率从材料的选择、工艺技术的改进、电池结构的设计等方面做了大量工作, 虽有所提高但无论从理论研究还是实际应用仍未有重大突破, 因此需要不断开发新材料、改进生产工艺、提高生产技术。

二、有机太阳能电池基本性质

共轭导电高分子材料由于同时具有聚合物的可加工性和柔韧性，以及无机半导体或金属的导电性。因而具有巨大的潜在商业应用价值，与硅材料太阳能电池相比较，有机高分子太阳能电池具有如下优点：

（1）化学可变性大，原料来源广泛[3]；

（2）有多种途径可改变和提高材料光谱吸收能力，扩展光谱吸收范围，并提高载流子的传送能力[4]；

（3）加工容易可大面积成膜，可采用旋转法、流延法成膜，还可进行拉伸取向使极性分子规整排列，采用LB 膜技术可在分子生长方向控制膜的厚度[5]；

（4）容易进行物理改性，如采用高能离子注入掺杂或辐照处理可提高载流子的传导

能力，减小电阻损耗提高短路电流；

（5）电池制作的结构可多样化；

（6）价格便宜，有机高分子半导体材料的合成工艺比较简单，如酞菁类染料早已实现工业化生产，因而成本低廉。这是有机太阳能电池实用化最具有竞争能力的因素。

三、 有机太阳能电池结构和基本原理

围绕提高有机太阳能电池的效率和性能的研究，开展了大量的工作，并且在过去的几年中取得了大量的成果（如表1），从材料的选择到器件结构的优化都经历了不同层次的创新。在材料方面有：有机材料、有机染料/ 无机材料、有机染料/ 有机染料、有机染料/ 聚合物材料、聚合物材料、聚合物材料/ 无机材料、聚合物材料/ 聚合物材料等。目前施主- 受主分子结合制作太阳能电池主要有三种方法：①将施主和受主分子分别涂覆在导体表面形成单异质结；②将施主和受主分子混合在一起，在整个器件内形成一个异质结体系；③在施主和受主分子层之间插入一层激子中间层，使产生的电子和空穴载流子向受主和施主层迁移，形成双异质结多层结构[6]。通过对材料和器件结构的改进和优化，有机太阳能电池的效率和性能均有不同程度的提高。

就典型的光电池而言，p-型和n-型半导体材料匹配而成器件，在这两者之间形成p - n 结。从n-型半导体漂移而来的电子填充p-型半导体漂移而到达结的空穴。在足接的能够克服半导体禁带宽度的外界能量源（如电能和光子）影响下，自由电子和自由空穴就能够分别产生于n-型和p-型半导体材料。这些电子和空穴就向p - n 结运输并扩散通过

p - n结，并且继续朝着相反的方向运输直到它们到达半导体的另一边被某种导体吸收，而形成光电流。

在半导体体系，光激发电流的电压是依据使用材料禁带带隙宽度的大小而设定。而光激发电流的大小是由入射到光电池的光强而确定。禁带宽度越大，电子产生的势能也就越大。这类体系能量的损失来源于缺陷俘获过程———带电载流子与中间能态在半导体缺陷处结合。

四、几种近年来研究的有机太阳能电池

有机太阳能电池的分类方法较多, 按照有机半导体层材料的差别, 可分为3 类: 质结结构有机太阳能电池、p - n 异质结结构有机太阳能电池、p - n 本体异质结结构有机太阳能电池。近十几年来, 研究较多的还有染料敏化纳米晶太阳能电池。

4.1 单质结结构有机太阳能电池