有机太阳能电池原理及器件构造

有机太阳能电池

摘要 有机太阳能电池因具有成本低、质轻、柔韧性好、可大面积印刷制备的优点而受到广泛关注，对电池原理，结构，材料的研究对提高有机太阳能电池的性能有重大意义。本文主要综述了有机太阳能电池的工作原理，电池结构以及电极材料。并对有机太阳能电池的应用前景做了展望。

关键词 原理 ；结构；材料；应用前景

1.有机太阳能电池简介

有机太阳能电池，顾名思义，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。主要是以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，以光伏效应而产生电压形成电流, 实现太阳能发电的效果. 由于无机硅太阳能电池的材料生产成本高，污染大、能耗高，寻找新型太阳能电池材料和低成本制造技术便成为人们研究太阳能电池技术的目标 。有机太阳能材料和电池制备技术有望成为低成本制造的选择之一 。

世界上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。1986年，行业内出现了一个里程碑式的突破——有机半导体的发明。器件的核心结构是由四羧基苝的一种衍生物（PV）和铜酞菁（CuPc）组成的双层膜。双层膜的本质是一个异质结，其思路是用两种有机半导体材料来模仿无机异质结太阳能电池。1992年，土耳其人Sariciftci在美国发现，激发态的电子能极快地从有机半导体分子注入到C60分子中，而反向的过程却要慢得多。1993年，Sariciftci在此发现的基础上制成PPV/C60双层膜异质结太阳能电池。随后，研究人员在此类太阳能电池的基础上又提出了一个重要的概念：混合异质结（体异质结）。而所谓“混合异质结”，就是将给体材料和受体材料混合起来，通过共蒸或者旋涂的方法制成一种混合薄膜。给体和受体在混合膜里形成一个个单一组成的区域，在任何位置产生的激子，都可以通过很短的路径到达给体与受体的界面（即结面），从而电荷分离的效率得到了提高。

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摘要 有机太阳能电池因具有成本低、质轻、柔韧性好、可大面积印刷制备的优点而受到广泛关注，对电池原理，结构，材料的研究对提高有机太阳能电池的性能有重大意义。本文主要综述了有机太阳能电池的工作原理，电池结构以及电极材料。并对有机太阳能电池的应用前景做了展望。

关键词 原理 ；结构；材料；应用前景

1.有机太阳能电池简介

有机太阳能电池，顾名思义，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。主要是以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，以光伏效应而产生电压形成电流, 实现太阳能发电的效果. 由于无机硅太阳能电池的材料生产成本高，污染大、能耗高，寻找新型太阳能电池材料和低成本制造技术便成为人们研究太阳能电池技术的目标 。有机太阳能材料和电池制备技术有望成为低成本制造的选择之一 。

世界上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。1986年，行业内出现了一个里程碑式的突破——有机半导体的发明。器件的核心结构是由四羧基苝的一种衍生物（PV）和铜酞菁（CuPc）组成的双层膜。双层膜的本质是一个异质结，其思路是用两种有机半导体材料来模仿无机异质结太阳能电池。1992年，土耳其人Sariciftci在美国发现，激发态的电子能极快地从有机半导体分子注入到C60分子中，而反向的过程却要慢得多。1993年，Sariciftci在此发现的基础上制成PPV/C60双层膜异质结太阳能电池。随后，研究人员在此类太阳能电池的基础上又提出了一个重要的概念：混合异质结（体异质结）。而所谓“混合异质结”，就是将给体材料和受体材料混合起来，通过共蒸或者旋涂的方法制成一种混合薄膜。给体和受体在混合膜里形成一个个单一组成的区域，在任何位置产生的激子，都可以通过很短的路径到达给体与受体的界面（即结面），从而电荷分离的效率得到了提高。

太阳能电池的工作原理、工作效率、制造太阳能的材料及大致构造

引言 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源．也是清洁能源，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域， 是其中最受瞩目的项目之一。为此，人们研制和开发了太阳能电池。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：1、硅太阳能电池；2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；3、功能高分子材料制备的大阳能电池；4、纳米晶太阳能电池等。不论以何种材料来制作电池，对太阳能电池材料一般的要求有：1、半导体材料的禁带不能太宽；②要有较高的光电转换效率：3、材料本身对环境不造成污染；4、材料便于工业化生产且材料性能稳定。基于以上几个方面考虑，硅是最理想的太阳能电池材料，这也是太阳能电池以硅材料为主的主要原因。但随着新材料的不断开发和相关技术的发展，以其它村料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景。本文简要地综述了太阳能电池的种类及其研究现状，并讨论了太阳能电池的发展及趋势。

1 硅系太阳能电池

1.1 单晶硅太阳能电池 硅系列太阳能电池中，单晶硅大阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅的电地工艺己近成熟，在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要是*单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面，德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构。并在表面把一13nm。厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合．通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率：通过以上制得的电池转化效率超过23%，是大值可达23．3％。Kyocera公司制备的大面积（225cm2）单电晶太阳能电池转换效率为19．44%，国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发，研制的平面高效单晶硅电池（2cm X 2cm）转换效率达到19.79%，刻槽埋栅电极晶体硅电池（5cm X 5cm）转换效率达8.6%。 单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。

第３８卷第３期　２０１２年７月　曲　阜师　范　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｕｆｕ　大学学报　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｖｏ１．３８　Ｎｏ．３　Ｊｕｌｙ　２０１２　

高稳定性反型聚合物／富勒烯有机太阳能电池光伏器件　

孟婧①，　高博文②　

（①曲阜师范大学物理工程学院，２７３１６５，山东省曲阜市；　②中国科学院西安光学精密机械研究所，瞬态光学与光子技术国家重点实验室，７１０１　１９陕西省西安市）　摘要：与传统的有机异质结太阳能电池相比，反型有机太阳能电池最大的优势在于其具有较高的稳定　性，在空气中的储存寿命一般比传统电池提高５—１０倍．反型电池采用高功函数的金属作为阳极，使用低功函　数的半透明金属氧化物作为阴极，避免了传统电池使用低功函数金属作为电极和采用ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳＡ作为电　极修饰层所带来的不稳定性的缺点．论文重点在于讨论反型器件的结构设计和优化．将窄能隙给体聚合物材　料与高ＬＵＭＯ能级的富勒烯受体进行匹配，引入低功函数的金属、金属氧化物的纳米棒或纳米晶体或者两者　的复合膜和亲水性的共轭聚合物修饰阴极；采用金属氧化物Ｖ：Ｏ　和ＭｏＯｘ作为阳极修饰层并进行反型光伏　器件制作，辅以退火工艺来优化器件，对于各种修饰层对于电极的影响将进行较深入的研究，重点在于揭示其　有机半导体物理的内部规律和本质，讨论其对于器件的效率和稳定性的影响机制，期望得到一个比较合理而　又令人信服的解释，有望获得高稳定性和高效率的光伏器件．这对于有机光伏电池接近商业化的门槛具有重　大的现实意义，同时对于进一步丰富有机半导体理论具有一定的指导意义．　关键词：本体异质结；聚合物；富勒烯；能量转换效率；反型电池　中图分类号：０６３４；ＴＭ９１４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—５３３７（２０１２）０３－００５６－０５　

ｌ　引　言　

２０１　１年５月，美国能源部国家可再生能源实验　室（ＮＲＥＬ）最新认证的有机太阳能电池最高能量转　换效率（ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ＰＣＥ）达到了　８．３％　，接近了实用化的门槛．在聚合物太阳能电　池研究领域中，使用共轭聚合物作为电子给体富勒　烯及其衍生物作为电子受体的聚合物／富勒烯太阳　能电池（ｐｏｌｙｍｅｒ／ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ，ＰＦＳＣｓ）是最为　热点的研究方向，其中以共混型本体异质结　（ｂｕｌｋｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ，ＢＨＪ）太阳能电池表现出了较好　的性能，其能量转换效率不断取得突破．２００９年文　献报道的此类太阳能电池的ＰＣＥ达到了６％左　右　２．　，２０１０年ＰＣＥ又取得新的突破，达到了７．７％　［４，５１．而据最新的文献报道，２０１　１年曹镛课题组取得　了８．３７％的能量转换效率　，这是迄今为止聚合　物／富勒烯太阳能单电池所取得的最高值．已经接近　了其商业化生产所要求的能量转换效率１０％的最　低门槛．传统的本体异质结电池结构为ＩＴＯ／ＰＥ—　ＤＯＴ：ＰＳＳ／ａｃｔｉｖｅ　ｌａｙｅｒ／Ａ１，其中ＩＴＯ是高功函数的金　属氧化物透明电极，用来收集空穴（阳极）；ＰＥＤＯＴ：　ＰＳＳ是空穴传输层，主要起到收集空穴、阻挡电子的　作用，避免光生载流子在ＩＴＯ／ａｃｔｉｖｅ　ｌａｙｅｒ界面处发　生复合．采用低功函数金属Ａｌ来收集电子作为阴　极．为了有效的收集电荷，阳极和阴极的功函数必须　分别与给体的ＨＯＭＯ能级和受体的ＬＵＭＯ能级匹　配．由于金属电极对于空气中的氧和水蒸气很敏感，　作为顶电极使用非常不稳定　，为了保护顶电极，　一般采用复合金属膜的形式，比如Ｃａ／Ａ１或者Ｍｇ／　Ａｌ作为顶电极　’　．另外，由于ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ呈酸性，　会对ＩＴＯ电极发生腐蚀，影响电池的稳定性．　”　与　传统的本体异质结电池结构不同，反型太阳电池器　件的典型结构是ＩＴＯ／ＺｎＯ（ＴｉＯ２）／ａｃｔｉｖｅ　ｌａｙｅｒ／Ａｇ　（Ａｕ），其中ＩＴＯ作为阴极，由于修饰层ＺｎＯ（或　ＴｉＯ，）是良好的空穴阻挡层，呵以起到收集电子阻挡　空穴的作用，而金属鲰（或Ａｕ等）则起到收集空穴　的作用．为了有效的收集电荷，阳极Ａｇ（或Ａｕ等）