有机体异质结太阳能电池的数值分析

第５０卷　第２期２０１４年３月南京大学学报（自然科学）ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＮＡＮＪＩＮＧ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ　ＳＣＩＥＮＣＥＳ）Ｖｏｌ．５０，Ｎｏ．２Ｍａｒ．，２０１４基金项目：江苏省特聘教授科研经费（Ｒ２０１２Ｔ０１），江苏省产学研项目（ＢＹ２０１２０２８），教育部留学回国启动基金（２０１３Ｓ０１０）收稿日期：２０１４－１２－１５＊通讯联系人，Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｚｈｚｈａｎｇ＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍＤＯＩ：１０．１３２３２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｎｊｕ．２０１４．０２．００３异质结型有机太阳能电池材料的最新研究进展张超智＊，李世娟，胡　鹏，沈　丹，张　骁，孙晓飞（南京信息工程大学环境与科学工程学院，南京，２１００４４）摘　要：作为一种低耗、高效的有机光伏器件，异质结型有机太阳能电池具有成本低、重量轻、柔韧性好等优点，已引起国内外的广泛关注．设计并合成性能优良、结构新颖的有机／聚合物电子给体和电子受体材料、提高光电转换率是太阳能电池研发的关键问题之一．本文简要介绍了异质结型有机太阳能电池的特点和工作原理，从聚对苯撑乙烯衍生物、苯并噻吩类以及苯并噻二唑类聚合物三个方面系统地综述了有机太阳能电池给体材料的研究进展．同时，依据有机太阳能电池受体材料的发展历程，较全面阐述了富勒烯衍生物、９，９－联亚芴基衍生物和苝二酰亚胺衍生物三类受体材料的结构特点及其在有机光伏器件中的应用与发展．最后，对异质结型有机太阳能电池发展趋势和应用前景做了展望．关键词：异质结，光电转化率，给体材料，受体材料Ｒｅｃｅｎｔ　ａｄｖａｎｃｅ　ｏｆ　ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌ　ｍａｔｅｒｉａｌｓＺｈａｎｇ　Ｃｈａｏｚｈｉ，Ｌｉ　Ｓｈｉｊｕａｎ，Ｈｕ　Ｐｅｎｇ，Ｓｈｅｎ　Ｄａｎ，Ｚｈａｎｇ　Ｘｉａｏ，Ｓｕｎ　Ｘｉａｏｆｅｉ（Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ，２１００４４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌ　ｈａｓ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ　ｄｒａｗｎ　ｇｒｅａｔ　ｉｎｔｅｒｅｓｔ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅｉｒ　ｓｅｖｅｒａｌ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｕｃｈａｓ　ｃｈｅａｐ　ｐｒｉｃｅ，ｌｉｇｈｔ　ｗｅｉｇｈｔ，ａｎｄ　ｅａｓｙ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｓｙｎｔｈｅｓｅｓ　ｏｆ　ｏｒｇａｎｉｃ／ｐｏｌｙｍｅｒｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｄｏｎｏｒ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ａｃｃｅｐｔｏｒ　ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ　ｗｉｔｈ　ｎｏｖｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｉｓｓｕｅｓ　ｆｏｒ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ，ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｎｄｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌ　ｗｅｒｅ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｒｅｐｏｒｔｓ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｒｅｅ　ｓｅｒｉｅｓｏｆ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌ　ｄｏｎｏｒ　ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ，ｐｏｌｙ－ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ　ｖｉｎｙｌｅｎｅ　ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ，ｂｅｎｚｏｔｈｉｏｐｈｅｎｅ　ｐｏｌｙｍｅｒｓ　ａｎｄｂｅｎｚｏｔｈｉａｄｉａｚｏｌｅ　ｐｏｌｙｍｅｒｓ　ｗｅｒｅ　ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ　ｔｙｐｅｓ　ｏｆ　ｐｏｐｕｌａｒ　ａｃｃｅｐｔｏｒ　ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ，ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ　ｄｅ－ｒｉｖａｔｉｖｅｓ，９，９’ＢＦ　ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ　ａｎｄ　ｐｅｒｙｌｅｎｅ　ｄｉｉｍｉｄｅ　ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ，ｗｅｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌ　ｗｅｒｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ，ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｄｏｎｏｒ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｃｃｅｐｔｏｒ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ南京大学学报（自然科学）第５０卷 随着全球能源需求量的逐年增加，煤炭等传统能源的逐渐耗尽．太阳能作为一种绿色清洁的能源，取之不尽、用之不竭，它的开发与应用越来越受到各国研究者的青睐．无机太阳能电池因原料成本高、生产工艺复杂和半导体材料易腐蚀等不利因素限制了其普及，而有机太阳能电池制备工艺简单、易于实现大面积制造而且成本较低［１］，有望在不久的将来替代无机太阳能电池．与无机太阳能电池材料相比，有机太阳能电池的转换效率比较低、耐久性差．为解决这些问题，科研人员提出了异质结型有机太阳能电池的概念并在此基础上开展了合成新材料、优化结构以及完善理论等方面的研究与探索，为新型高性能有机太阳能电池的材料设计、器件制备提供了良好借鉴［２，３］．１　异质结型有机太阳能电池概述１９８６年，Ｔａｎｇ［４］初次报道了异质结型的有机太阳能电池，同时引入电子给体（ｐ型）／电子受体（ｎ型）有机双层异质结的概念．下面针对异质结型有机太阳能电池的概念及基本原理进行归纳总结．１．１　异质结型有机太阳能电池的基本理论　异质结是指不同半导体材料间两种不同层次或区域之间形成的二维界面，由有机太阳能电池材料形成的异质结即为异质结型有机太阳能电池．异质结型有机太阳能电池分为ｐ－ｎ异质结、混合异质结、本体异质结和级联结构有机太阳能电池．ｐ－ｎ异质结有机太阳能电池的结构为：玻璃／阳极／给体材料／受体材料／金属电极．因给体－受体异质结的存在，光电转换效率较高；混合异质结有机太阳能电池的结构为：玻璃／阳极／给体＋受体混合材料／金属电极．因给体－受体接触界面积增大，激子解离效率提高；本体异质结（ｂｕｌｋ　ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ，ＢＨＪ）有机太阳能电池的结构一般为：ＩＴＯ／ＰＥＤＯＴ∶ＰＳＳ／给体材料∶受体材料／ＬｉＦ／Ａｌ［５］，由给体和受体均匀混合形成其活性层［６］．Ｓｕｎ等［７，８］以多种非共轭柔性链作为连接给体和受体的桥梁，合成了有序的本体异质结有机太阳能电池材料，并制备成光伏器件，依据光电转化机理优化器件，使电池的能量转化效率及其他性能得到提高．到目前为止，它成为构建异质结型有机太阳能电池最有效的体系结构．由两个或两个以上的器件单元串联成的叠层电池为级联电池，可利用不同材料对太阳光谱的吸收范围不同，提高器件效率．１．２　异质结型有机太阳能电池的基本原理　异质结型有机太阳能电池工作原理的核心在于发生在电子给体／电子受体（ｄｏｎｏｒ／ａｃｃｅｐｔｅｒ，Ｄ／Ａ）界面的光致超快电荷转移现象．工作原理主要包含以下４个过程：激子产生、激子扩散、激子解离、自由载流子的收集．光激发有机太阳能电池材料的活化层，产生激子；激子扩散到电子给体（Ｄ）／电子受体（Ａ）的异质结界面便会解离成自由载流子；载流子传输到电极形成光电压．依据以上原理，科研人员对异质结型有机太阳能电池进行了多方面的研究，以使太阳能电池能量转换效率提升、组件寿命延长且制造成本低廉．研究表明：（１）在异质结型有机太阳能电池中，因异质结界面的存在，激子在产生后很短的时间内就能实现电子和空穴的分离而避免复合，显著提高了激子分离效率而有利于光电流的产生．（２）太阳能电池材料的吸收光谱与太阳光谱匹配程度、载流子迁移率和合适的能级水平对于获得高的器件效率至关重要．此外，供体材料的能隙在１．９ｅＶ左右有利于太阳光的吸收［９，１０］．２　异质结型有机太阳能电池材料异质结型有机太阳能电池材料是由电子给体材料和电子受体材料所组成的复合体系，通过选择不同的给体和受体材料，改变两种材料的混合比例，采用不同的共混溶剂以及活性层的热退火处理等过程都可以不同程度地影响到异质结型有机太阳能电池的能量转换效率．２．１　给体材料　异质结型有机太阳能电池的关键部分是活性层，由给体材料和受体材料共混制备而成．典型的受体材料为富勒烯及其衍·６３１·　第２期张超智等：异质结型有机太阳能电池材料的最新研究进展生物材料［１１，１２］．对于给体材料，选择面较广，比如具有共轭结构的多聚物、有机小分子等．其中，以聚对苯撑乙烯、苯并噻吩、苯并噻二唑等给体材料的研究最为广泛．图１　聚对苯撑乙烯衍生物的化学结构Ｆｉｇ．１　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｏｆ　Ｐｏｌｙ（ｐ－ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ　ｖｉｎｙｌｅｎｅ）ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ聚２－甲氧基－５－（２′－乙基）己氧基－对苯撑乙烯（ＭＥＨ－ＰＰＶ）是目前研究最为充分的一类给体材料．Ｗｕｌｄ等［１３］合成了ＭＥＨ－ＰＰＶ，并对其进行研究．研究表明，该聚合物溶解性较好、禁带适中、性能稳定．於黄忠等［１４］以ＭＥＨ－ＰＰＶ为给体材料，ＰＣＢＭ为受体材料进行分析．分析发现，随着ＰＣＢＭ含量的增加，ＭＥＨ－ＰＰＶ传输电荷的能力增强．当ＭＥＨ－ＰＰＶ∶ＰＣＢＭ＝１∶４时，器件活性层形成优良的互穿网络，器件性能最佳．Ｆｒｉｅｎｄ［１５］和Ｈｅｅｇｅｒ［１６］对苯乙烯类聚合物进行研究．Ｆｒｉｅｎｄ以给体ＭＥＨ－ＰＰＶ与受体Ｃ６－ＣＮ－ＰＰＶ共混制备有机太阳能电池，并通过ＴＥＭ、ＳＴＥＭ等方法对其进行研究．研究表明，所制器件表现出很强的光响应：开路电压为０．６Ｖ，外部量子效率高达６％．Ｈｅｅｇｅｒ以ＭＥＨ－ＰＰＶ为给体材料，以ＭＥＨ－ＣＮ－ＰＰＶ为受体材料进行了类似的研究．发现，给受体材料混合时表现出的光电性能比单一材料的高．Ｋｉ－ｅｔｚｋｅ等［１７］以Ｍ３ＥＨ－ＰＰＶ（给体）与ＣＮ－ｅｔｈｅｒ－ＰＰＶ（受体）共混的光伏器件的光电转化率高达１．７％．最近该课题组，使用不同沸点的溶剂或溶剂的混合物调节混合形态，深入研究相应的光物理性能．苯并噻吩（ＢｎＤＴ）具有相当好的稳定性，其结构的对称性和刚性稠芳香体系可以提高电子的离域，分子间的作用力可以提高电荷迁移率［１８］；作为弱给体，它能使所得聚合物维持低的ＨＯＭＯ能级［１９］．Ｙｏｕ等［２０］报道了以苯并噻吩为给体单元，苯并三唑为受体单元的给体－受体共轭聚合物：ＰＢｎＤＴ－ＨＴＡＺ，并以它作为聚合物给体，与受体ＰＣ６０ＢＭ共混形成异质结太阳能电池，对其性能进行研究．随后，刘小锐等［２１］在受体单元ＨＴＡＺ上引入一个强吸电性的氰基（简写６ＣＮＴＡＺ），并与给体单元ＰＢｎＤＴ形成共轭聚合物给体材料，利用ＤＦＴ理论分析了强吸电基团的引入对聚合物给体光物理性质等参数的影响，结果表明：与ＰＢｎＤＴ－ＨＴＡＺ相比，ＰＢｎＤＴ－６ＣＮＴＡＺ具有强而宽的吸收范围．而且，ＰＢｎＤＴ－６ＣＮＴＡＺ表现出更大的开路电压和更好的抗氧化性．Ｚｈｏｕ等［２２］设计合成了小分子：ＤＣＡＯ３ＴＢＤＴ和ＤＲ３ＢＤＴ，并分别以其作为给体材料与ＰＣＢＭ共混制备了异质结型有机太阳能电池．其中以ＤＲ３ＢＤＴ为给体材料的光伏器件的光电转化率高达７．３８％．苯并噻二唑具有较强的吸电子能力、较高的氧化电位和较好的空气稳定性，将其作为电子受体单元，与给体单元形成给体－受体（Ｄ－Ａ）共轭聚合物，应用于异质结太阳能电池中可获得较低的能带隙、较高的光电转换效率［２３］．Ｌｅｃｌｅｒｃ等［２４］以苯并噻二唑作为强吸电子单元与咔唑形成共聚物１，研究发现：以共聚物１作为给体材料，ＰＣ６０ＢＭ为受体材料，制备的异质结型有机太阳能电池器件的能量转换效率高、器件寿命长．Ｑｉｎ等［２５］对共聚物１进行取代，得到聚合物２，并以其为给体材料，ＰＣ７０ＢＭ为受体材料制备的太阳能电池能量转化率为５．４％．若将聚合物２上咔·７３１·南京大学学报（自然科学）第５０卷唑氮原子取代基用芳基取代，发现能量转化效率降低，由此可见咔唑环上烷基供电子链在调节聚合物能带隙中的重要作用［２６］．２０１２年，Ｌｅｅ等［２７］设计了一系列聚合物３，并对其中噻吩单元上烷基对太阳能电池材料性能的进行了研究，结果表明，烷基链的取代位置影响活化层的形貌，而且烷基取代基的引入使能量转化效率降低，无取代基时效率最高．２．２　受体材料　虽然有机光伏电池领域研究较为活跃的是电子给体材料，但大批科研工作者仍致力于研究新型受体材料．因为有机光伏器件光电转换效率的重大突破往往与新型给／受体材料的研究有着密切关系．其中研究最为广泛的受体材料是富勒烯衍生物、９，９－联亚芴基衍生物、苝二酰亚胺衍生物等受体材料．图２　苯并噻吩类聚合物的化学结构Ｆｉｇ．２　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｂｅｎｚｏｔｈｉｏｐｈｅｎｅ　ｐｏｌｙｍｅｒｓ图３　苯并噻二唑类聚合物的化学结构Ｆｉｇ．３　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｂｅｎｚｏｔｈｉａｄｉａｚｏｌｅ　ｐｏｌｙｍｅｒｓ 富勒烯属于缺电子烯，三维共轭的电子结构使得它具有良好的得电子能力和光电传输性能．Ｗｕｄｌ课题组［２８］首次合成了Ｃ６０富勒烯衍生物ＰＣＢＭ，并将其应用于有机太阳能电池中．随后，ＰＣ７０ＢＭ［２９］等一系列与ＰＣＢＭ结构相似的受体材料也相继诞生．此外，一些非ＰＣＢＭ结构的富·８３１·　第２期张超智等：异质结型有机太阳能电池材料的最新研究进展勒烯衍生物受体材料也受到研究人员的关注．２０１０年，李永舫课题组合成了茚的双加成Ｃ６０富勒烯衍生物ＩＣ６０ＢＡ、ＩＣ７０ＢＡ，将其与Ｐ３ＨＴ共混制成光电器件后的光电转换效率分别达到了６．４８％［３０］和５．６４％［３１］．Ｍｅｎｇ等［３２］设计合成了二氢化萘类富勒烯ＮＣ７０ＢＡ，并以其为受体材料，与给体材料Ｐ３ＨＴ共混制备了有机太阳能电池器件．研究发现，ＮＣ７０ＢＡ在可见光区域内有着更强的吸收和更宽的吸收范围，而且相应的光伏器件能量转化率达５．９５％．Ｄｅｎｇ等［３３］合成了新型二氢化萘类富勒烯衍生物受体材料，并针对取代基对该材料制成的光伏器件能量转换效率的影响进行研究．研究发现，双加成物Ｂｉｓ－ＭＤＮＣ在可见光区域具有很强的吸收，以其与Ｐ３ＨＴ共混制成的有机太阳能电池器件中，能量转化率达到了４．５８％．９，９′ＢＦ具有独特的２６π电子芳香结构，由于芴及其衍生物含有一个刚性的平面内联苯单元，因此其热稳定性和化学稳定性都很好．Ｐａｒｋ等［３４］在９，９′ＢＦ的基础上设计合成了新型受体材料ＴＦＢＦ，并将其与Ｐ３ＨＴ共混制备了有机太阳能电池器件，器件能量转化率为０．２６％．图４　富勒烯衍生物的化学结构Ｆｉｇ．４　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ　ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ图５　９９′ＢＦ类衍生物的化学结构Ｆｉｇ．５　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｏｆ　９９′ＢＦ　ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ 苝二酰亚胺类分子具有较大的π－π共轭结构，具有较高的电子迁移率，成为近年来备受关注的异质结型有机太阳能电池受体材料．Ｆａｃ－ｃｈｅｔｔｉ等［３５］在萘二亚胺（ＮＤＩ）基础上，对新型·９３１·南京大学学报（自然科学）第５０卷共聚物Ｐ（ＮＤＩ２ＯＤ－Ｔ２）进行了研究．Ｐ（ＮＤＩ２ＯＤ－Ｔ２）在有机场效应晶体管（ＯＦＥＴ）结构中测量的电子迁移率高达０．８５ｃｍ２／（ｖ·ｓ）．最近，他们以其为受体材料，与给体材料共混制得新型异质结型有机太阳能电池，光电转换效率为４．２％．Ｓｃｈｕｂｅｒｔ等［３６］对两个ＮＤＩ型受体：Ｐ（ＮＤＩ２ＯＤ－Ｔ２）和Ｐ（ＮＤＩ－ＴＣＰＤＴＴ）进行了研究．研究表明：在Ｐ３ＨＴ：ＮＤＩ型聚合物共混制得的异质结型有机太阳能电池中，通过向溶剂二甲苯中加入氰基萘，器件的性能得到明显改善．改善效果Ｐ３ＨＴ：Ｐ（ＮＤＩ－ＴＣＰＤＴＴ）优于Ｐ３ＨＴ：Ｐ（ＮＤＩ２ＯＤ－Ｔ２）．而且在膜形成的早期阶段，通过抑制ＮＤＩ共聚物的聚集，可以获得最佳的纳米形态．若用四氢化萘作溶剂，电池的光电转化率为１．１％．Ｍｉｋｒｏｙａｎｎｉｄｉｓ等［３７］合成了一种新的苝二酰亚胺衍生物受体材料ＰＥＲＩ，将其与给体材料Ｓｅ－ＳＭ共混制得的器件效率达到１．２８％．经过热退火处理后，器件光电转换效率提高到了３．８８％．图６　苝二酰亚胺衍生物的化学结构Ｆｉｇ．６　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｐｅｒｙｌｅｎｅ　ｄｉｉｍｉｄｅ　ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ３　结论与展望近年来，异质结型有机太阳能电池逐渐成为最有前途的光伏器件之一．随着科研人员对新型给／受体材料和新器件结构研究的深入，有机太阳能电池器件的制造成本不断降低、使用寿命和器件光电转化率逐渐提高，异质结型有机太阳能电池成为一种低耗、高效的有机光伏器件，发展潜力巨大．但是离其商业化应用仍有一段距离，这主要是因为异质结型有机太阳能电池存在载流子迁移率低、器件形貌不可有效调控以及器件稳定性差等问题．今后，科研人员应根据异质结型有机太阳能电池光电转化机理，从廉价易得的原料出发，有针对性地设计合成新型材料，复合优化现有的材料体系，提高光电转换率，创造出价廉易得、各项性能优异的新型异质结型有机太阳能电池．致　谢　对所有帮助该论文顺利完成的老师和同学表示诚挚的谢意．·０４１·　第２期张超智等：异质结型有机太阳能电池材料的最新研究进展Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ［１］　Ｈｅ　Ｚ，Ｚｈｏｎｇ　Ｃ，Ｓｕ　Ｓ，ｅｔ　ａｌ．Ｅｎｈａｎｃｅｄ　ｐｏｗｅｒ－ｃｏｎ－ｖｅｒｓｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｉｎ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ　ｕｓｉｎｇ　ａｎｉｎｖｅｒｔｅｄ　ｄｅｖｉｃｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｎａｔｕｒｅ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，２０１２，６（９）：５９１～５９５．［２］Ｓｅｏ　Ｊ　Ｈ，Ｇｕｔａｃｋｅｒ　Ａ，Ｓｕｎ　Ｙ，ｅｔ　ａｌ．Ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｈｉｇｈ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ　ｖｉａ　ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｃｏｎｊｕｇａｔｅｄ　ｐｏｌｙｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ　ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅＡｍｅｒｉｃａｎ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，２０１１，１３３（２２）：８４１６～８４１９．　［３］Ｌｉ　Ｙ．Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｍａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ：ｔｏｗａｒｄ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｅｎｅｒｇｙ　ｌｅｖｅｌｓ　ａｎｄ　ｂｒｏａｄ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ．Ａｃｃｏｕｎｔｓ　ｏｆｃｈｅｍｉｃａｌ　ｒｅｓｅａｒｃｈ，２０１２，４５（５）：７２３～７３３．［４］Ｔａｎｇ　Ｃ　Ｗ．Ｔｗｏ－ｌａｙｅｒ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｃｅｌｌ．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９８６，４８（２）：１８３～１８５．［５］Ｄｉｎｇ　Ｋ，Ｄａｉ　Ｌ　Ｘ．Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ－Ｂｒｅａｋｔｈｒｏｕｇｈｓａｎｄ　Ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｓ．Ｗｅｉｎｈｅｉｍ，Ｇｅｒｍａｎｙ：Ｗｉｌｅｙ－ＶＣＨＶｅｒｌａｇ　ＧｍｂＨ，２０１２，６４３～６８３．［６］Ｚｈａｎｇ　Ｊ，Ｄｅｎｇ　Ｄ，Ｈｅ　Ｃ，ｅｔ　ａｌ．Ｓｏｌｕｔｉｏｎ－ｐｒｏｃｅｓｓａｂｌｅｓｔａｒ－ｓｈａｐｅｄ　ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｒｉｐｈｅｎｙｌａｍｉｎｅ　ｃｏｒｅ　ａｎｄｄｉｃｙａｎｏｖｉｎｙｌ　ｅｎｄｇｒｏｕｐｓ　ｆｏｒ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ．Ｃｈｅｍ－ｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０１０，２３（３）：８１７～８２２．［７］Ｓｕｎ　Ｓ　Ｓ，Ｆａｎ　Ｚ，Ｗａｎｇ　Ｙ，ｅｔ　ａｌ．Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌｅｆｆｅｃｔｓ　ｔｏ　ｃａｒｒｉｅｒ　ｍｏｂｉｌｉｔｙ　ｉｎ　ａ　ＲＯ－ＰＰＶ／ＳＦ－ＰＰＶｄｏｎｏｒ／ａｃｃｅｐｔｏｒ　ｂｉｎａｒｙ　ｔｈｉｎ　ｆｉｌｍ　ｏｐｔｏ－ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｄｅｖｉｃｅ．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ：Ｂ，２００５，１１６（３）：２７９～２８２．［８］Ｓｕｎ　Ｓ　Ｓ，Ｂｏｎｎｅｒ　Ｃ　Ｅ．Ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ　ｉｎ　ｂｏｔｈ　ｓｐａｃｅ　ａｎｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｄｏｍａｉｎｓ．ＳｙｎｔｈｅｔｉｃＭｅｔａｌｓ，２００５，１５４（１）：６５～６８．［９］Ｌｉ　Ｙ，Ｐｕｌｌｅｒｉｔｓ　Ｔ，Ｚｈａｏ　Ｍ，ｅｔ　ａｌ．Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｃｈａｒ－ａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＰＣ６０ＢＭ：ＰＤＤＴＴ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒａｎ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌ．Ｔｈｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＰｈｙｓｉｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ　Ｃ，２０１１，１１５（４４）：２１８６５～２１８７３．［１０］Ｍｉｋｒｏｙａｎｎｉｄｉｓ　Ｊ　Ａ，Ｓｈａｒｍａ　Ｇ　Ｄ，Ｓｈａｒｍａ　Ｓ　Ｓ，ｅｔａｌ．Ｎｏｖｅｌ　ｌｏｗ　ｂａｎｄ　ｇａｐ　ｐｈｅｎｙｌｅｎｅｖｉｎｙｌｅｎｅ　ｃｏｐｏｌｙ－ｍｅｒ　ｗｉｔｈ　ＢＦ２－Ａｚｏｐｙｒｒｏｌｅ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｕｎｉｔｓ：ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ａｎｄ　ｕｓｅ　ｆｏｒ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｂｕｌｋ　ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ．Ｔｈｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　Ｃ，２０１０，１１４（３）：１５２０～１５２７．［１１］Ｗａｌｋｅｒ　Ｂ，Ｋｉｍ　Ｃ，Ｎｇｕｙｅｎ　Ｔ　Ｑ，ｅｔ　ａｌ．Ｓｍａｌｌ　ｍｏｌ－ｅｃｕｌｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ－ｐｏｃｅｓｓｅｄ　ｂｕｌｋ　ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ　ｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ．Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０１１，２３（３）：４７０～４８２．［１２］Ｐａｐｐｅｎｆｕｓ　Ｔ　Ｍ，Ｓｃｈｍｉｄｔ　Ｊ　Ａ，Ｋｏｅｈｎ　Ｒ　Ｅ，ｅｔ　ａｌ．ＰＢＣ－ＤＦＴ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｄｏｎｏｒ－ａｃｃｅｐｔｏｒ　ｃｏｐｏｌｙｍｅｒｓｉｎ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ：ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅｏ－ｒｅｔｉｃａｌ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｄａｔａ．Ｍａｃｒｏ－ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ，２０１１，４４（７）：２３５４～２３５７．［１３］Ｌｉ　Ｇ，Ｚｈｕ　Ｒ，Ｙａｎｇ　Ｙ．Ｐｏｌｙｍｅｒ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ．ＮａｔｕｒｅＰｈｏｔｏｎｉｃｓ，２０１２，６（３）：１５３～１６１．［１４］彭俊彪，周晓明，於黄忠．不同比例的ＭＥＨ－ＰＰＶ与ＰＣＢＭ共混体系光电池性能研究．物理学报，２００８，５７（６）：３８９８～３９０４．［１５］Ｈａｌｌｓ　Ｊ　Ｊ　Ｍ，Ｗａｌｓｈ　Ｃ　Ａ，Ｇｒｅｅｎｈａｍ　Ｎ　Ｃ，ｅｔ　ａｌ．Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ　ｆｒｏｍ　ｉｎｔｅｒｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ　ｐｏｌｙ－ｍｅｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｎａｔｕｒｅ，１９９５，３７６：４９８～５００．［１６］Ｙｕ　Ｇ，Ｈｅｅｇｅｒ　Ａ　Ｊ．Ｃｈａｒｇｅ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ａｎｄｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｉｎ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　ｗｉｔｈｉｎｔｅｒｎａｌ　ｄｏｎｏｒ／ａｃｃｅｐｔｏｒ　ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＡｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９９５，７８（７）：４５１０～４５１５．［１７］Ｋｉｅｔｚｋｅ　Ｔ，Ｈ ｒｈｏｌｄ　Ｈ　Ｈ，Ｎｅｈｅｒ　Ｄ．Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｐｏｌ－ｙｍｅｒ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｍ３ＥＨ－ＰＰＶ．Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２００５，１７（２６）：６５３２～６５３７．　［１８］Ｌｉａｎｇ　Ｙ，Ｆｅｎｇ　Ｄ，Ｗｕ　Ｙ，ｅｔ　ａｌ．Ｈｉｇｈｌｙ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌ　ｐｏｌｙｍｅｒｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｖｉａ　ｆｉｎｅ－ｔｕｎｉｎｇ　ｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅＡｍｅｒｉｃａｎ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００９，１３１（２２）：７７９２～７７９９．［１９］Ｚｈｏｕ　Ｈ，Ｙａｎｇ　Ｌ，Ｓｔｏｎｅｋｉｎｇ　Ｓ，ｅｔ　ａｌ．Ａ　ｗｅａｋｄｏｎｏｒ－ｓｔｒｏｎｇ　ａｃｃｅｐｔｏｒ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｔｏ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｄｅａｌｐｏｌｙｍｅｒｓ　ｆｏｒ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ．ＡＣＳ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｍａ－ｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ，２０１０，２（５）：１３７７～１３８３．　［２０］Ｐｒｉｃｅ　Ｓ　Ｃ，Ｓｔｕａｒｔ　Ａ　Ｃ，Ｙａｎｇ　Ｌ，ｅｔ　ａｌ．Ｆｌｕｏｒｉｎｅｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ　ｃｏｎｊｕｇａｔｅｄ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｏｆ　ｍｅｄｉｕｍ　ｂａｎｄｇａｐ　ｙｉｅｌｄｓ　７％ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｉｎ　ｐｏｌｙｍｅｒ－ｆｕｌｌｅｒｅｎｅｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｓｏ－ｃｉｅｔｙ，２０１１，１３３（１２）：４６２５～４６３１．［２１］刘小锐，陈春香，何荣幸等．两种异质结太阳能电池聚合物供体材料的设计与理论性质．化学学报，２０１２，７０（２２）：２３６５～２３７１．［２２］Ｚｈｏｕ　Ｊ，Ｗａｎ　Ｘ，Ｌｉｕ　Ｙ，ｅｔ　ａｌ．Ｓｍａｌｌ　ｍｏｌｅｃｕｌｅｓｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｂｅｎｚｏ［１，２－ｂ：４，５－ｂ′］ｄｉｔｈｉｏｐｈｅｎｅ　ｕｎｉｔ·１４１·南京大学学报（自然科学）第５０卷ｆｏｒ　ｈｉｇｈ－ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ－ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ　ｏｒｇａｎｉｃｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｓｏ－ｃｉｅｔｙ，２０１２，１３４（３９）：１６３４５～１６３５１．［２３］和平，李在房，侯秋飞等．苯并噻二唑类有机太阳能电池材料研究进展．有机化学，２０１３，３３（２）：２８８～３０４．［２４］Ｐｅｔｅｒｓ　Ｃ　Ｈ，Ｓａｃｈｓ－Ｑｕｉｎｔａｎａ　Ｉ　Ｔ，Ｋａｓｔｒｏｐ　Ｊ　Ｐ，ｅｔａｌ．Ｈｉｇｈ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ　ｗｉｔｈ　ｌｏｎｇｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｌｉｆｅｔｉｍｅｓ．Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０１１，１（４）：４９１～４９４．［２５］Ｑｉｎ　Ｒ　Ｐ，Ｌｉ　Ｗ　Ｗ，Ｌｉ　Ｃ　Ｈ，ｅｔ　ａｌ．Ａ　ｐｌａｎａｒ　ｃｏｐｏｌｙ－ｍｅｒ　ｆｏｒ　ｈｉｇｈ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００９，１３１（４１）：１４６１２～１４６１３．［２６］Ｌｉｕ　Ｘ，Ｗｅｎ　Ｗ，Ｂａｚａｎ　Ｇ　Ｃ．Ｐｏｓｔ－ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｔｒｅａｔ－ｍｅｎｔ　ｏｆ　ａｎ　ａｒｙｌａｔｅｄ－ｃａｒｂａｚｏｌｅ　ｃｏｎｊｕｇａｔｅｄ　ｐｏｌｙｍｅｒｆｏｒ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌ　ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ．Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０１２，２４（３３）：４５０５～４５１０．［２７］Ｌｅｅ　Ｓ　Ｋ，Ｓｅｏ　Ｊ　Ｈ，Ｃｈｏ　Ｎ　Ｓ，ｅｔ　ａｌ．Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｓｉｄｅｃｈａｉｎ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｎ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｎ　ｃｙｃｌｏ－ｐｅｎｔａｄｉｔｈｉｏｐｈｅｎｅ－ｂａｓｅｄ　ｃｏｐｏｌｙｍｅｒｓ．Ｔｈｉｎ　ＳｏｌｉｄＦｉｌｍｓ，２０１２，５２０（１６）：５４３８～５４４１．［２８］Ｈｕｍｍｅｌｅｎ　Ｊ　Ｃ，Ｋｎｉｇｈｔ　Ｂ　Ｗ，ＬｅＰｅｑ　Ｆ，ｅｔ　ａｌ．Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｕｌｌｅｒｏｉｄ　ａｎｄｍｅｔｈａｎｏｆｕｌｌｅｒｅｎｅ　ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ．Ｔｈｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｏｒ－ｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，１９９５，６０（３）：５３２～５３８．［２９］Ｗｉｅｎｋ　Ｍ　Ｍ，Ｋｒｏｏｎ　Ｊ　Ｍ，Ｖｅｒｈｅｅｓ　Ｗ　Ｊ，ｅｔ　ａｌ．Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｍｅｔｈａｎｏ［７０］ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ／ＭＤＭＯ－ＰＰＶ　ｂｕｌｋｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｃｅｌｌｓ．ＡｎｇｅｗａｎｄｔｅＣｈｅｍｉｅ，２００３，１１５（２９）：３４９３～３４９７．［３０］Ｈｅ　Ｙ，Ｃｈｅｎ　Ｈ　Ｙ，Ｈｏｕ　Ｊ，ｅｔ　ａｌ．Ｉｎｄｅｎｅ－Ｃ６０ｂｉｓａｄ－ｄｕｃｔ：ａ　ｎｅｗ　ａｃｃｅｐｔｏｒ　ｆｏｒ　ｈｉｇｈ－ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｐｏｌｙｍｅｒ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＡｍｅｒｉｃａｎＣｈｅｍｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，２０１０，１３２（４）：１３７７～１３８２．［３１］Ｈｅ　Ｙ，Ｚｈａｏ　Ｇ，Ｐｅｎｇ　Ｂ，ｅｔ　ａｌ．Ｈｉｇｈ－ｙｉｅｌｄ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｓａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ａｎｄ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆｉｎｄｅｎｅ－Ｃ７０ｂｉｓａｄｄｕｃｔ．Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　Ｍａ－ｔｅｒｉａｌｓ，２０１０，２０（１９）：３３８３～３８９．［３２］Ｍｅｎｇ　Ｘ，Ｚｈａｎｇ　Ｗ，Ｔａｎ　Ｚ，ｅｔ　ａｌ．Ｈｉｇｈｌｙ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄ　ｔｈｅｒｍａｌｌｙ　ｓｔａｂｌｅ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ　ｗｉｔｈ　ｄｉ－ｈｙｄｒｏｎａｐｈｔｈｙｌ－ｂａｓｅｄ［７０］ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ　ｂｉｓａｄｄｕｃｔ　ｄｅ－ｒｉｖａｔｉｖｅ　ａｓ　ｔｈｅ　ａｃｃｅｐｔｏｒ．Ａｄｖａｎｃｅｄ　ＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１２，２２（１０）：２１８７～２１９３．［３３］Ｄｅｎｇ　Ｌ　Ｌ，Ｆｅｎｇ　Ｊ，Ｓｕｎ　Ｌ　Ｃ，ｅｔ　ａｌ．Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄｄｉｈｙｄｒｏｎａｐｈｔｈｙｌ－Ｃ６０ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ　ａｓ　ａｃｃｅｐｔｏｒｓ　ｆｏｒｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ　ｗｉｔｈ　ｔｕｎａｂｌｅ　ｐｈｏｔｏ－ｖｏｌｔａｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｓｏｌａｒ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄＳｏｌａｒ　Ｃｅｌｌｓ，２０１２，１０４：１１３～１２０．［３４］Ｐａｒｋ　Ｏ　Ｙ，Ｋｉｍ　Ｈ　Ｕ，Ｋｉｍ　Ｊ　Ｈ，ｅｔ　ａｌ．Ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｅｎｅ－９，９′－ｂｉｆｌｕｏｒｅｎｙｌｉｄｅｎｅ　ａｓ　ａ　ｎｏｎ－ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ　ｔｙｐｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ａｃ－ｃｅｐｔｏｒ　ｆｏｒ　Ｐ３ＨＴ－ｂａｓｅｄ　ｂｕｌｋ－ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ　ｐｏｌｙｍｅｒｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ．Ｓｏｌａｒ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　Ｓｏｌａｒ　Ｃｅｌｌｓ，２０１３，１１６：２７５～２８２．［３５］Ｆａｃｃｈｅｔｔｉ　Ａ．Ｐｏｌｙｍｅｒ　ｄｏｎｏｒ－ｐｏｌｙｍｅｒ　ａｃｃｅｐｔｏｒ（ａｌｌ－ｐｏｌｙｍｅｒ）ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓ．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｔｏｄａｙ，２０１３，１６（４）：１２３～１３２．［３６］Ｓｃｈｕｂｅｒｔ　Ｍ，Ｄｏｌｆｅｎ　Ｄ，Ｆｒｉｓｃｈ　Ｊ，ｅｔ　ａｌ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ａｇ－ｇｒｅｇａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ａｌｌ－ｐｏｌｙｍｅｒ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｌｓｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ　ｌｏｗ－ｂａｎｄｇａｐ　ｎａｐｈｔｈａｌｅｎｅｄｉｉｍｉｄｅｃｏｐｏｌｙｍｅｒｓ．Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０１２，２（３）：３６９～３８０．［３７］Ｍｉｋｒｏｙａｎｎｉｄｉｓ　Ｊ　Ａ，Ｓｕｒｅｓｈ　Ｐ，Ｓｈａｒｍａ　Ｇ　Ｄ．Ｓｙｎ－ｔｈｅｓｉｓ　ｏｆ　ａ　ｐｅｒｙｌｅｎｅ　ｂｉｓｉｍｉｄｅ　ｗｉｔｈ　ａｃｅｔｏｎａｐｈ－ｔｈｏｐｙｒａｚｉｎｅ　ｄｉｃａｒｂｏｎｉｔｒｉｌｅ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｍｏｉｅｔｉｅｓ　ｆｏｒｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　Ｍｅｔａｌｓ，２０１０，１６０（９）：９３２～９３８．·２４１·。

异质结电池的效率测试标准主要有以下几个方面：
1.异质结电池的效率定义为其输出的电能与输入的光能或热能之比，通常用百分比表示。

计算公式为：效率= (输出电能/ 输入光能或热能) ×
100% 。

其中，输出电能是指电池产生的电能，输入光能或热能是指电池接收到的光能或热能的总量。

2.影响异质结电池效率的因素包括材料选择、异质结结构、光吸收率、电子传输效率和热损失。

合适的材料选择可以提高电池的光吸收能力和电子
传输效率，从而提高效率。

异质结电池的效率还与其异质结构的设计有关。

合理的异质结构可以提高电池的光生载流子的分离效率和电子传输效率，从而提高效率。

目前异质结电池的平均转换效率已达到24.6%，而经过特殊设计和优化的异质结电池，例如隆基绿能自主研发的p-HJT电池，其转换效率已达到26.81%，这是目前全球硅基太阳能电池效率的最高纪录。

请注意，测试异质结电池效率时应在专业人士的指导下进行，以保证安全和准确性。

体异质结有机太阳能电池达到的高效率下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。

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- 106 -本体异质结有机太阳能电池性能影响因素肖红斌（武汉大学物理科学与技术学院，湖北 武汉 430072）【摘 要】基于电子给体/受体共混体系制备的本体异质结有机太阳能电池是一种低能耗、高效率的有机光伏器件，是目前国内外研究的热点之一。

作为器件的核心部分，光电转化共混活性层的质量优劣会直接影响电池的光电转换效率。

文章以P3HT:PCBM 共混体系为基础探讨影响本体异质结有机太阳能电池性能的因素。

研究发现，给/受体材料的共混比例、有机溶剂的沸点、活性层厚度以及器件的热退火处理等因素都可直接影响到太阳能电池的性能。

【关键词】有机聚合物太阳能电池；本体异质结；共混比例；有机溶剂沸点；活性层厚度；热退火 【中图分类号】TN303 【文献标识码】A 【文章编号】1008-1151(2010)07-0106-02对有机分子的光电研究始于20世纪初。

1906年和1913年Pochettino 和Volmer 分别报道了有机固态蒽晶体的光电导效应，标志着全固态有机太阳能电池研究的开端。

1960年Bube 发现，一些人工合成的有机染料，如孔雀绿和亚甲基蓝等，也具有光电导特性，而且利用这些有机染料制作而成的全固态有机太阳能电池成功地产生了光生伏特效应。

20世纪70年代初期有机半导体太阳电池虽已成型，但是仅具有象征性的学术意义而没有实际的应用价值，因为其光电转换效率相当低，大概在10– 4%左右。

到了20世纪80年代中期，出现了真空升华蒸镀法制作全固态有机太阳能电池的工艺。

接下来的几年内，全固态有机太阳能电池研究的进展不大。

20世纪90年代，有机共混体系中光诱导电荷转移现象的发现及本体异质结结构的建立，使得有机太阳电池性能得到大幅度提高，有机共混体系的太阳能电池也因此得到了人们广泛的研究。

在众多有机材料中，给体材料P3HT 由于具有高的空穴迁移率(10-4 to 10-2 cm 2/(V·s))及良好的环境稳定性而受到人们的广泛关注，而PCBM 则由于具有较好的电子传输能力及较高的电子亲和势而被认为是优良的受体材料。

第61卷 第1期厦门大学学报(自然科学版)V o l .61 N o .1 2022年1月J o u r n a l o f X i a m e nU n i v e r s i t y (N a t u r a l S c i e n c e )J a n .2022h t t p :ʊjx m u .x m u .e d u .c n d o i :10.6043/j.i s s n .0438-0479.202006034D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n+)异质结太阳能电池的数值模拟熊文文,何 嵩,陈 朝*(厦门大学能源学院,福建厦门361102)摘要:类金刚石(D L C)薄膜因其硬度高㊁禁带宽度可调和抗辐射性好等优点成为空间太阳能电池研究的热点材料之一.采用A F O R S -H E Tv 2.5,在A M 1.5㊁功率密度100m W /c m 2的太阳光辐照条件下模拟D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n+)异质结太阳能电池的性能.通过改变P 型D L C 层和n 型单晶硅层参数,得到太阳能电池输出性能的变化规律,并解释了性能变化的内在原因,为D L C 异质结太阳能电池的性能优化提供了参考与指导.模拟结果表明:该结构太阳能电池的转换效率超过20.07%(开路电压为695.5m V ,短路电流密度为35.11m A /c m 2,填充因子为80.56%).同时研究了D L C (P)/c -S i (n )界面缺陷密度对D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n+)异质结太阳能电池的影响,发现降低界面缺陷密度可以有效提高太阳能电池的性能.关键词:A F O R S -H E T 模拟;类金刚石膜;异质结;太阳能电池中图分类号:T M914.4 文献标志码:A 文章编号:0438-0479(2022)01-0049-09收稿日期:2020-06-21 录用日期:2020-07-07基金项目:福建省科技厅工业引导项目(2017H 0038)*通信作者:c c h e n @x m u .e d u .c n引文格式:熊文文,何嵩,陈朝.D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n +)异质结太阳能电池的数值模拟[J ].厦门大学学报(自然科学版),2022,61(1):49-57.C i t a t i o n :X I O N G W W ,H ES ,C H E N C .N u m e r i c a l s i m u l a t i o no fD L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n +)h e t e r o ju n c t i o ns o l a r c e l l [J ].J X i a m e nU n i vN a t S c i ,2022,61(1):49-57.(i nC h i n e s e) 晶硅太阳能电池是最早被开发出来且应用最广泛的太阳能电池,但其抗辐射性能差,在受到宇宙射线粒子辐照时,会发生强辐射性复合,导致光生少子下降,严重损害电池器件的输出性能[1-2],因此无法在太空等高辐射环境领域中应用.因此越来越多的研究者投身于新型材料太阳能电池的研究.其中,类金刚石(D L C )膜因其光学透过性优异[3-4]㊁抗辐射能力强[5]㊁硬度高㊁抗划伤耐磨性能好[6-8]以及禁带宽度在0~5.5e V 之间可调[9-13],吸引了众多研究人员的注意.1982年,M o r a v e c 等[14]首次将D L C 作为减反射膜应用于晶硅太阳能电池,将其光电转换效率(η)提高了40%;V e e r a s a m y 等[15]研究了掺氮的DL C 与p 型晶体硅异质结光电二极管的光伏特性和光谱响应,在D L C 薄膜上观察到突变结,并且随着D L C 薄膜掺杂量的增加光电压升高,响应峰位由800n m 提高到1000n m ,这表明硅的势垒区变宽.在D L C 光电子领域的应用研究中发现,D L C 不仅具有高抗辐射性,而且在掺杂浓度达到1019c m -3时具备优异的半导体性能,可用于空间太阳能电池的开发[16-17].L e e 等[18]将硼掺杂的P 型D L C (禁带宽度为3.5e V )用作窗口层,研究非晶硅基D L C 异质结太阳能电池的载流子输运机制,结果发现以禁带宽度过高的D L C 作为窗口层时电阻率太高,无法有效制备非晶硅基D L C 太阳能电池,此时插入P 型非晶S i C 可以优化该结构.M a等[19]采用电弧放电等离子体化学气相沉积(P C V D )法在n 型单晶硅衬底上沉积了硼掺杂的P 型D L C ,成功制备了A u /D L C (P )/c -S i (n )/A g 异质结太阳能电池,并在A M 1.5㊁功率密度100mW /c m 2的光照条件下测得开路电压(V O C )为580m V ,短路电流密度(J S C )为32.5m A /c m 2,填充因子(F F )为42%,η为7.9%,这为D L C 在空间太阳能电池的应用开辟了广阔的前景.然而,目前D L C /S i 异质结太阳能电池的转换效率依旧很低,对其影响因素及内在机理尚无深入了解和系统研究,这使得D L C /S i 太阳能电池的制备与优化没有明确的方向.本研究对影响D L C (P )/c -S i (n)/c -S i (n+)异质结太阳能电池输出性能的关键参数进行模拟并对其影响机理展开分析,希望为更高效率的D L C /S i 异质结太阳能电池的研究开发提供参考与指导.Copyright©博看网 . All Rights Reserved.厦门大学学报(自然科学版)2022年h t t p :ʊjx m u .x m u .e d u .c n 1 D L C 异质结太阳能电池的物理模型与能带结构本研究中掺杂浓度大的材料的导电类型用大写字母表示,如P (p o s i t i v e )或N (n e g a t i v e );掺杂浓度小的用小写字母表示其导电类型,如p 或n ;宽带隙重掺杂的P 型非晶D L C 膜用D L C (P )表示,n 型单晶硅片用c -S i (n )表示,重掺杂的背电场单晶硅薄层用c -S i (n+)表示.本研究模拟的D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n+)异质结太阳能电池的结构如图1所示.E c p ㊁E f p 和E v p 分别为D L C (P )层的导带底㊁准费米能级和价带顶;E c n ㊁E f n 和E v n 分别为c -S i (n )层的导带底㊁准费米能级和价带顶;χD L C 和χS i 分别为D L C (P )层和c -S i (n )层的电子亲和能;ΦD L C ㊁ΦS i 和ΦD L C 本征分别为DL C (P )层㊁c -S i (n )层和本征D L C 的功函数;E g D L C 和E gS i 分别为D L C (P )层和c -S i (n )层的禁带宽度;e V D 1㊁e V D 2和e V D 分别为D L C (P )层㊁c -S i (n )层和D L C (P )/c -S i (n )的内建电势能;ΔE c 和ΔE v 分别为D L C (P )层与c -S i (n )层间的导带差和价带差;x 1和x 2分别为DL C (P )层和c -S i (n )层的势垒区宽度.图2 光照下D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n+)异质结的能带图F i g .2E n e r g y b a n d d i a g r a mo f D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n +)h e t e r o j u n c t i o n u n d e r l i gh t 该太阳能电池的实验室制备过程如下:先在n型图1 D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n+)异质结太阳能电池的结构示意图F i g .1S t r u c t u r e d i a gr a mo f D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n +)h e t e r o ju n c t i o n s o l a r c e l l 单晶硅片的背表面扩散一层重掺杂磷的薄层,之后在单晶硅片的正表面用等离子体增强化学气相沉积(P E C V D )法生长一层5~10n m 的掺硼D L C 薄膜,然后在掺硼D L C 膜表面溅射一层T C O ,最后制备金属电极,构成T C O /D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n +)/A g 异质结太阳能电池.能带结构是深入分析太阳能电池工作原理及影响机理的依据.根据M a n d e l 等[20]在测量D L C 带隙态密度时计算得到带隙1.5e V 的本征D L C 的功函数约为3.8e V ,结合异质结平衡态经典的安德森(A n d e r s o n)理论[21-22],本研究得出光照下D L C (P )层禁带宽度为1.5e V 时D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n+)异质结的能带图,如图2所示.太阳光从正面入射到异质结表面,经过表面减反射膜时,小部分太阳光被反射,大部分进入D L C 膜的能量大于D L C 带隙的太阳光激发D L C 产生光生电子,进入界面附近的势垒区.因为两种材料带隙相差较大,形成的异质结为突变异质结,所以势垒区是耗尽区.异质结的势垒区由宽带隙的D L C 和窄带隙的S i 两部分组成,因为D L C 是重掺杂,而S i 是轻掺杂,所以S i的势垒区宽度x 2要比D L C 的势垒区宽度x 1更大.在D L C 层和D L C 势垒区产生的光生电子受电场的作用,快速进入界面处,部分被界面态和定域能级复合,剩下的电子进入S i 的势垒区.由于D L C 膜的带隙比S i 的大,具有窗口作用,大部分太阳光穿过D L C㊃05㊃Copyright©博看网 . All Rights Reserved.第1期熊文文等:D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n +)异质结太阳能电池的数值模拟h t t p :ʊjx m u .x m u .e d u .c n 薄膜照到单晶硅的势垒区,激发单晶硅的能带产生电子-空穴对,这些光生电子一部分被界面处的界面态和定域能级复合,一部分在电场作用下向单晶硅体内漂移,进入背面的c -S i (n +)区.背电场的高低结加速了这部分光生电子向背面移动.与此同时,入射光激发各区半导体所生产的光生空穴,向光生电子相反的方向移动,一部分在异质结界面处被界面态和定域能级复合,一部分最后到达D L C (P )区光照面.这样,在异质结的光照面积累了空穴,在背面积累了电子,产生了光电压,接上负载后就有光电流产生.2 A F O R S -H E T 模拟软件简介与参数设置A F O R S -H E Tv 2.5是由德国H ZB (H e l m h o l t z -Z e n t r u mB e r l i n)研究所开发的一款专门用于模拟异质结太阳能电池的软件,可以对任意半导体层进行建模,并指定相应的层和界面性质与缺陷分布.利用不同条件下的有限差分法,通过求解一维半导体泊松方程以及S h o c k l e y-R e a d -H a l l 复合统计的电子和空穴连续性方程[23],计算出相关太阳能电池的输出特性.本研究模拟设定太阳能电池工作的环境温度为300K ,采用A M 1.5㊁功率密度100mW /c m 2的辐射作为光源,掺杂D L C 的态密度分布来自于R o b e r t s o n等[24]关于D L C 的缺陷研究,并根据文献[25-28]的实验结果确定了掺杂D L C 的其他参数.单晶硅层的所有参数都具有标准值,并由A F O R S -H E T 自带设定,具体参数设置如表1所示,表中括号内为该参数的变化范围.表1 模拟参数T a b .1 S i m u l a t i o n p a r a m e t e r s参数D L C (P)c -S i (n )c -S i (n+)厚度/n m5(5~23)3ˑ105(5ˑ104~5ˑ105)50介电常数9.511.911.9电子亲合能/e V 3.64.054.05带隙/e V 0.8(0.8~1.9)1.1241.124光学带隙/e V0.8(0.8~1.9)1.1241.124有效导带密度/1019c m -31.692.8462.846有效价带密度/1019c m -31.42.6852.685电子迁移率/(c m 2㊃V -1㊃s -1)4.811111111空穴迁移率/(c m 2㊃V -1㊃s -1)0.48421.6421.6受主掺杂浓度/1019c m -37.47(7.1~11)00施主掺杂浓度/1016c m -35.5(0.4~75)7080电子热运动速度/(107c m ㊃s -1)2.2511空穴热运动速度/(107c m ㊃s-1)0.911层密度/(g㊃c m -3)1.82.3282.328俄歇电子复合系数/(10-31c m 6㊃s -1)02.22.2俄歇空穴复合系数/(10-32c m 6㊃s -1)09.99.9带间复合系数/(c m 6㊃s -1)00带尾态密度/(1021c m -3㊃e V -1)1缺陷态密度/(c m -3㊃e V -1)6.8ˑ10191ˑ10101ˑ1010D L C (P )/c -S i (n )界面态的缺陷密度/(c m -2㊃e V -1)0(3.13ˑ1010~1.13ˑ1014)3 实验结果与分析3.1 D L C (P)层禁带宽度的影响设定D L C (P )层厚度为5n m ,禁带宽度在0.8~1.9e V 范围内变化,太阳能电池主要性能随D L C (P )层禁带宽度E g D L C 变化的结果如图3所示.随着E g D L C 的升高:V O C 呈大幅上升趋势,在E gD L C 达到1.6e V 后保持平稳;J S C 由0.8e V 时的34.74m A /c m 2微降至1.9e V 时的34.48m A /c m 2;F F 和η均先上升后下降,分别在1.3和1.5e V 时达到极大值.㊃15㊃Copyright©博看网 . All Rights Reserved.厦门大学学报(自然科学版)2022年h t t p :ʊjx m u .x m u .e d u .cn 图3 D L C 禁带宽度对D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n+)异质结太阳能电池输出性能的影响F i g .3E f f e c t o f D L Cb a n d g a p o n t h e o u t p u t pe rf o r m a n c e s o f D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n +)h e t e r o ju n c t i o n s o l a r c e l l 根据异质结太阳能电池理论,V O C 与E g D L C 的关系如式(1)[29]所示:e V O C =E g D L C -Δχ+k T l n J Le N c 2S 1,(1)其中,e 为电子电量,Δχ为D L C (P )层与c -S i (n )层间的电子亲和能差,k 为玻尔兹曼常数,T 为绝对温度,J L 为光电流密度,N c 2为界面处c -S i (n )导带底的态密度,S 1为界面处复合速率.随着E g D L C 的增大,电池能带失配增大,V O C 上升;但同时Δχ也增大,并且逐渐抵消了E gD L C 的增量,致使V O C 趋于饱和.对于J S C 的变化趋势,可由式(2)[30]来进行解释:J L =e η0N (E g ),(2)其中,η0为载流子收集效率,N (E g )为能量超过E g 的光子流密度.由于太阳光中分布着不同能量的光子,只有那些能量大于禁带宽度的光子才能在半导体中产生光生电子空穴对,从而形成光生电流,所以E gD L C 的增大导致D L C (P )层的光生载流子浓度降低,但同时透过D L C (P )层到达c -S i (n )的光子增多,c -S i (n )层光生载流子浓度上升,二者共同作用使得J S C 的变化并不明显.然而,D L C /S i 异质结太阳能电池的J S C 较晶硅电池偏低:这一方面是由于D L C 薄膜材料对太阳光的吸收系数较低,造成电池材料收集到的太阳光能量低㊁光子数少;另一方面是由于D L C 的载流子迁移率相较于晶硅太低,造成光生载流子在电场分离作用下的漂移运动能力低或势垒边的扩散运动低,致使J S C 较低.与同质结一样,异质结的F F 与V O C 及串联电阻之间存在如下关系[31-32]:F F =P m I S C V O C ʈ1-k T e V O C l n1+e V m k T-k T e V O C,(3)F F (R s h ,R s )ʈ F F (0,ɕ)1-I S C R sV O C -V O C I S C R s h,(4)其中,P m 为最大输出功率,I S C 为短路电流,V m 为峰值电压(输出功率最大时的工作电压),R s h 为并联电阻,R s 为串联电阻.F F 先随E g D L C 的增大而增大,这是因为E g D L C 的增大导致V O C 增大,F F 与V O C 呈正相关(式(3));进一步增大E g D L C ,D L C (P )层受主能级变深,进而D L C (P )层的串联电阻R s 快速增大,导致F F 快速下降(式(4)).异质结太阳能电池的光电转换效率η如式(5)[31]所示:η=F F ˑI S C ˑV O C P i,(5)其中P i 为太阳光的入射功率.综合V O C ㊁J S C 和F F 随E g D L C 的变化趋势,η随E gD L C 的增大呈先上升后下降的变化趋势.上述模拟结果表明E g D L C 为1.5e V 时太阳能电池有最佳光电转换效率.3.2 D L C (P)层厚度的影响根据3.1节的模拟结果,取E gD L C 为1.5e V ,模拟D L C (P)层厚度对太阳能电池输出性能的影响,根据现有的沉积技术能达到的最薄厚度[33],取D L C (P )层起始模拟厚度为5n m ,结果如图4(a )所示.当D L C (P )层厚度由5n m 增加至23n m 时,V O C ㊁J S C ㊁F F ㊁η均随着D L C (P )层厚度的增加而下降.这是因为:D L C (P )层厚度的增加导致入射光在层内吸收衰减,降低了光生载流子浓度,J S C 与V O C 下降(式(1));D L C (P )层厚度的增加使得串联电阻R s 上升,F F 与R s 呈负相关(式(4)),所以F F 下降;而η正比于V O C ㊁J S C ㊁F F 的乘积(式(5)),所以η也下降.通过对比D L C (P)层厚度分别为5,9,13,17,23n m 时的内量子效率(I Q E),如图4(b )所示,发现随着D L C (P )层厚度的增加,I Q E 逐渐下降,这说明光生载流子浓度随着D L C (P )层厚度的增加而降低,进一步证实了上述观点.㊃25㊃Copyright©博看网 . All Rights Reserved.第1期熊文文等:D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n +)异质结太阳能电池的数值模拟h t t p :ʊjx m u .x m u .e d u .cn 图4 D L C (P )层厚度对D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n+)异质结太阳能电池输出性能(a )和I Q E (b)的影响F i g .4E f f e c t o f D L C (P )t h i c k n e s s o n t h e o u t pu t pe rf o r m a n c e s (a )a n d I Q E (b )o f D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n +)h e t e r o ju n c t i o n s o l a r c e l l 3.3 D L C (P)层掺杂浓度的影响根据上述模拟结果,取D L C (P )层的禁带宽度为1.5e V ㊁厚度为5n m ,考察D L C (P )层受主掺杂浓度(N A )对太阳能电池输出性能的影响,结果如图5(a)所示.结果表明:当D L C (P )层N A 在7.1ˑ1019~9ˑ1019c m -3范围内时,V O C ㊁F F ㊁η均有较大增幅;当N A 高于9.5ˑ1019c m -3时,上述3个参数值均不再增加;J S C 则随着N A 的升高逐渐下降.随着D L C (P)层N A 的升高,费米能级逐渐向价带顶移动,使得异质结的准费米能级差加大,致使V O C 增大.通过对比D L C (P )层N A 分别为7.5ˑ1019和9.5ˑ1019c m -3时的平衡能带图,如图5(b)所示,发现随着D L C (P )层N A 的升高,D L C (P )层与c -S i (n)层之间的导带差ΔE c 与价带差ΔE v 均增大,进而增大了D L C (P )/c -S i (n )的内建电势能e V D ,V O C 升高(式(1)),F F 随着V O C 的升高而增大(式(3)).但N A 升高的同时D L C (P )层少子的扩散长度减小,少子在D L C (P )层内的复合增加,使得光生载流子不易被收集,导致J S C 下降.由于V O C 与F F 的增长贡献高于J S C ,所以η也增大.图5 D L C (P )层N A 对D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n+)异质结太阳能电池输出性能的影响(a );D L C (P)层N A 不同时D L C (P )/c -S i (n )异质结的平衡能带示意图(b)F i g .5E f f e c t o f D L C (P )N A o n t h e o u t p u t p e r f o r m a n c e s o f D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n +)h e t e r o ju n c t i o n s o l a r c e l l (a );e n e r g y b a n d d i a gr a mo f D L C (P )/c -S i (n )h e t e r o ju n c t i o nw i t h d i f f e r e n t D L C (P )N A (b )3.4 c -S i (n)层掺杂浓度的影响当D L C (P )层的禁带宽度为1.5e V ㊁厚度为5n m ㊁N A 为9.5ˑ1019c m -3时,模拟c -S i (n)层施主掺杂浓㊃35㊃Copyright©博看网 . All Rights Reserved.厦门大学学报(自然科学版)2022年h t t p :ʊjx m u .x m u .e d u .c n 度(N D )对D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n+)异质结太阳能电池的影响,结果如图6(a )所示:随着c -S i (n)层N D 的提高,V O C 逐渐上升,J S C 与F F 逐渐下降,η则先上升后下降,并在N D 为5.5ˑ1016c m -3时达到极大值19.06%.c -S i (n )层N D 的增加使得c -S i (n )层的准费米能级向导带底移动,增加了异质结的准费米能级差,V O C随之增大(式(1)).该现象也可由N D 分别为1.5ˑ图6 c -S i (n )层N D 对D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n+)异质结太阳能电池输出性能的影响(a );c -S i (n)层N D 不同时D L C (P )/c -S i (n )异质结的平衡能带示意图(b)F i g .6E f f e c t o f c -S i (n )N D o n t h e o u t p u t p e r f o r m a n c e s o f D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n +)h e t e r o ju n c t i o n s o l a r c e l l (a );e n e r g y b a n d d i a gr a mo f D L C (P )/c -S i (n )h e t e r o ju n c t i o nw i t h d i f f e r e n t c -S i (n )N D (b )1016和1.5ˑ1017c m -3时的平衡能带图来进行解释,如图6(b )所示,c -S i (n )层N D 的升高使得该层导带与价带向下移动,导带差ΔE c 与价带差ΔE v 均增大,V O C 上升.J S C 和FF 的下降是因为c -S i (n )层N D 的提高一方面导致少数载流子扩散长度减小,c -S i (n )复合增加,使得光生载流子不易被收集;另外,由式(6)[25]与图6(b )可知,N D 的升高导致c -S i (n)层中势垒区变薄,不利于光生载流子的分离与漂移.x 2=2εS i εD L CV D e N A N D (εS i N D +εD L CN A ),(6)其中,εS i 与εD L C 分别为c-S i (n )层与D L C (P )层的介电常数,V D 为内建电场强度.在c -S i (n )层N D 小于5.5ˑ1016c m -3时,J S C 和FF 的下降幅度较小,V O C 较大的上升幅度对η的升高起主导作用;当c -S i (n)层的N D 大于5.5ˑ1016c m -3时,V O C 的上升幅度逐渐变缓,J S C 和F F 下降造成的影响大于V O C 上升造成的影响,最终导致η逐渐下降.3.5 c -S i (n)层厚度的影响当D L C (P )层的禁带宽度为1.5e V ㊁厚度为5n m ㊁N A 为9.5ˑ1019c m -3,c -S i (n )层N D 为5.5ˑ1016c m -3时,考察c -S i (n)层厚度对太阳能电池输出性能的影响,结果如图7所示:随着c -S i (n )层厚度的增图7 c -S i (n )厚度对D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n+)异质结太阳能电池输出性能的影响F i g .7E f f e c t o f c -S i (n )t h i c k n e s s o n t h e o u t p u t pe rf o r m a n c e s o f D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n +)h e t e r o ju n c t i o n s o l a r c e l l 大,V O C ㊁J S C ㊁η均上升,而F F 则逐渐下降.c -S i (n )层不仅是吸收入射光的主要区域,更是产生光生载流子的主要区域.c -S i (n )层厚度的增加,增大了光子的吸收容量和吸收能力,产生更多的电子空穴对,光生载流子的浓度增加,J S C 和V O C 上升(式(1));同时厚度的上升会导致串联电阻R s 升高,F F 下降(式(4)).V O C 与J S C 的上升幅度较大,为η的上升做出了主要贡献.㊃45㊃Copyright©博看网 . All Rights Reserved.第1期熊文文等:D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n +)异质结太阳能电池的数值模拟h t t p :ʊjx m u .x m u .e d u .c n 考虑到随着c -S i (n)层厚度的增加,制备成本会越来越高,本研究只模拟了D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n+)异质结太阳能电池在c -S i (n )层厚度小于500μm 时的性能,可根据实际需求对c -S i (n )层厚度进行选择.3.6 D L C (P )/c -S i (n)界面态的影响由于D L C 与单晶硅的晶格常数不同,在二者的接触界面上会出现晶格缺陷,缺陷的密度取决于晶格间的失配程度,晶格缺陷会在禁带中产生能级,这些产生于半导体界面的电子能级或能带即为界面态,其位置在图2中已标出.D L C (P )/c -S i (n)界面态呈高斯分布[24],界面态的存在将导致严重的载流子复合.因此,研究D L C (P )/c -S i (n )界面缺陷密度(D i t )的影响对于该结构异质结太阳能电池的实验制备具有重要的参考价值.在该部分模拟实验中,设置D L C (P )/c -S i (n)的D i t 在3.13ˑ1010~1.13ˑ1014c m -2㊃e V -1范围内变化,结果如图8所示.很显然,V O C ㊁J S C ㊁F F 和η均随着D i t 的增加呈下降趋势,当D i t 超过1ˑ1012c m -2㊃e V -1时下降幅度较大,在D i t 达到1.13ˑ1014c m -2㊃e V -1时η只有0.31%,可见D i t 对D L C (P )/c -S i (n )异质结太阳能电池的影响显著.图8 D i t 对DL C (P )/c -S i (n )/c -S i (n +)异质结太阳能电池输出性能的影响F i g .8E f f e c t o f D i t o n t h e o u t p u t pe rf o r m a n c e s o f D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n +)h e t e r o ju n c t i o n s o l a r c e l l 高D i t 使得界面处载流子复合速率S 1上升,由式(1)可知这会导致太阳能电池的各项输出性能下降.为了更深入地了解D i t 对V O C 的影响,对比了D i t 分别为1.13ˑ1011和1.13ˑ1013c m -2㊃e V -1时的平衡能带和电场分布,如图9所示.由图9(a )可知,D i t 低时c -S i (n )层势垒区能带的弯曲程度高于D i t 高时的能带弯曲程度,因此,S 1随D i t 的上升而加快,V O C 与J S C 随D i t 的上升而下降.由图9(b )可知,D i t 高时界面电场大于D i t 低时的界面电场.根据P n 结载流子的输运机制分析可知,当P 型D L C 层与n 型S i 层接触时,电子将从高费米能级的n 型S i 层流向低费米能级的P 型D L C 层,使得两侧费米能级相等.D i t 高的界面,电子俘获能力强,使得P 型D L C 表面形成高电子密度的负空间电荷区,在界面处产生很强的电场,也从侧面验证了上述D i t 高时载流子更易被俘获的观点.由此可见,在D L C /c -S i (n)异质结太阳能电池的实际制备中,寻求降低D L C (P )/c -S i (n )D i t 的方法应成为重要的关注点.图9 不同D i t 时D L C (p )/c -S i (n )异质结的平衡能带(a )和电场分布(b)F i g .9E q u i l i b r i u me n e r g y ba n d (a )a n d e l e c t r i c f i e l d d i s t r ib u t i o n (b )o f D L C (P )/c -S i (n)h e t e r o ju n c t i o nw i t h d i f f e r e n t D i t 4 结 论本研究给出了D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n+)异质结㊃55㊃Copyright©博看网 . All Rights Reserved.厦门大学学报(自然科学版)2022年h t t p :ʊjx m u .x m u .e d u .c n 的平衡能带图并对其工作原理进行了阐述,进而应用A F O R S -H E Tv 2.5模拟软件研究了D L C (P )层与c -S i (n )层关键参数变化对T C O /D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n +)/A g 结构太阳能电池输出性能的影响.结果显示,对D L C (P )/c -S i (n )/c -S i (n+)异质结太阳能电池的D L C (P )层与c -S i (n )层参数进行优化调节,其η可以超过20.07%,此时,V O C ㊁J S C 和FF 分别为695.5m V ㊁35.11m A /c m 2和80.56%.随后研究了D L C (P )/c -S i (n )D i t 对DL C (P )/c -S i (n )异质结太阳能电池的影响,发现降低D i t 可以大幅提高其电池性能.模拟结果表明,D L C (P )/c -S i (n)异质结太阳能电池在空间等高辐射环境领域具有很高的研究价值和应用价值.参考文献:[1] N E I T Z E R T H C ,F E R R A R A M ,K U N S T M ,e ta l .E l e c t r o l u m i n e s c e n c ee f f i c i e n c y d e g r a d a t i o no fc r ys t a l l i n e s i l i c o ns o l a rc e l l sa f t e ri r r a d i a t i o n w i t h p r o t o n si nt h ee n e r g y r a n g e b e t w e e n 0.8M e Va n d 65M e V [J ].P h y s i c a S t a t u s S o l i d i (b ),2008,245(9):1877-1883.[2] S R I V A S T A V A P C ,P A N D E Y S P ,A S O K A N K .As t u d y o n s w i f t (~100M e V )h e a v y (S i 8+)i o n i r r a d i a t e d c r ys t a l l i n e S i -s o l a rc e l l [J ].N u c l e a rI n s t r u m e n t s a n d M e t h o d s i n P h y s i c s R e s e a r c h S e c t i o n B :B e a m I n t e r a c t i o n sw i t h M a t e r i a l sa n d A t o m s ,2006,244(1):166-170.[3] K L I B A N O V L ,C R O I T O R U NI ,S E I D M A N A ,e ta l .D i a m o n d -l i k e c a r b o n t h i n f i l m s a s a n t i r e f l e c t i v e a n dp r o t e c t i v ec o a t i n gso fG a A se l e m e n t sa n dd e v i c e s [J ].O p t i c a l E n g i n e e r i n g,2000,39(4):989-992.[4] G U N T H E R K ,S O N N T A G F ,R O C H T ,e ta l .O p t i c a l p r o p e r t i e so ft e t r a h e d r a la m o r ph o u sc a r b o nf i l m sa n d t h e i r p o t e n t i a l f o rl a b -o n -a -c h i p [J ].M a t e r i a l sS c i e n c e s a n dA p p l i c a t i o n s ,2015,6(5):445-455.[5] J I L ,L IH X ,Z H A O F ,e ta l .I n f l u e n c e so fu l t r a v i o l e ti r r a d i a t i o n o n s t r u c t u r e a n d t r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e s o f d i a m o n d -l i k ec a r b o nf i l m s [J ].A p pl i e dS u r f a c eS c i e n c e ,2009,255(20):8409-8413.[6] P H A R RG M ,C A L L A H A NDL ,M C A D A M S SD ,e t a l .H a r d n e s s ,e l a s t i c m o d u l u s ,a n ds t r u c t u r eo fv e r y ha r d c a rb o nf i l m s p r o d uc ed b y c a t h o d i c -a r cde po s i t i o n w i t h s u b s t r a t e p u l s e b i a s i n g [J ].A p p l i e d P h y s i c s L e t t e r s ,1996,68(6):779-781.[7] L E U M S ,C H E NSY ,C H A N GJ J ,e t a l .D i a m o n d -l i k ec o a t i n g s p r e p a r e db y t h e f i l t e r e dc a t h od i ca r cte c h n i q u ef o r m i n t i ng a p p l i c a t i o n [J ].S u r f a c e a n d C o a t i n g s T e ch n o l o g y,2004,177/178:566-572.[8] A N K I TK ,V A R A D EA ,R E D D YKN ,e t a l .S yn t h e s i s o f h i g h h a r d n e s s I R o p t i c a l c o a t i n g u s i n g di a m o n d -l i k e c a r b o n b y P E C V 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体相异质结型有机太阳能电池的研究进展3李　蛟1,2,刘俊成2,高从堦1(1　中国海洋大学化学化工学院,青岛266100;2　山东理工大学材料科学与工程学院,淄博255049)摘要 基于电子给/受体共混体系制备的体相异质结型有机太阳能电池是一种低耗、高效的有机光伏器件。

作为器件核心,光电转化共混活性层的质量优劣会直接影响器件的能量转换效率。

研究发现,不同的给/受体材料组成、2种材料的共混比例、共溶剂的选择以及器件的热退火处理等因素都可影响到活性层质量。

结合上述研究热点,综述了体相异质结型有机太阳能电池近年来的研究进展,阐述了该研究领域下一步发展的重点、趋势及前景。

关键词 体相异质结　有机太阳能电池　给体　受体　能量转换效率中图分类号:O484 文献标识码:AR esearch Progress of Bulk H eterojunction Organic Solar CellL I Jiao 1,2,L IU J uncheng 2,GAO Congjie 1(1　College of Chemistry and Chemical Engineering ,Ocean University of China ,Qingdao 266100;2　School ofMaterials Science and Engineering ,Shandong University of Technology ,Zibo 255049)Abstract Bulk heterojunction organic solar cell based on an active layer of donor/acceptor blends is a low 2cost and high 2efficient organic photovoltaic device.As the core of the device ,the quality of photo 2electricity conversion blending active layer would directly influence the power conversion efficiency of the solar cell.Some researches report that the differences photoactive layer quality are attributed to differences in materials composed the layer ,the donor/acceptor blending ratio ,the choice of co 2solvent and the post 2production annealing of the device.In this review ,the recent research development of the bulk heterojunciton organic solar cell are summarized f rom the research focuses a 2bove ,and the developing trend and promising prospects are also presented.K ey w ords bulk heterojunction ,organic solar cell ,donor ,acceptor ,power conversion efficiency　3教育部首批“新世纪优秀人才支持计划”(NCET20420648)　李蛟:男,1976年生,博士研究生,主要从事有机光伏材料与太阳能电池研究　刘俊成:通迅联系人　E 2mail :jchliu @0　前言1954年美国贝尔实验室成功研制了世界上第一块太阳能电池[1],标志着太阳能借助人工器件直接转换为电能成为现实。

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20日收到;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通讯联系人.E 2mail :yqpeng @11引言有机太阳能电池利用有机半导体薄膜作为光电活性介质,由于具有容易加工、价格低廉并能制作大面积柔性器件等优点而备受关注.自从人们发现处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,[1,2]这些材料已经被考虑应用于制作大面积的可折叠的太阳能电池.体异质结(BH J )结构太阳能电池与传统双层异质结太阳能电池相比,克服了几何界面的影响,即只有在pn 结附近吸收的光子才对光电流有贡献[3,4],而是将电子受体材料和给体材料混合形成可传输电荷的渗透网格,从而大幅度提高了短路电流值[5,6].太阳能电池的转换效率接近5%,使其比双层结构有更大的开发前途,因此被认为是光伏器件的主要发展趋势[7].体异质结太阳能电池吸收光子产生光电流的主要机理是给体材料和受体材料接触面处吸收光子产生激子,在接近给体2受体接触面的区域的激子扩散同时以极快的速度分离为成对出现的给体里的空穴和受体里的电子[8,9].但是由于有机材料的介电常量(εr =2—4)与无机材料相比较低,使得激子没有像无机半导体中马上分离成电子和空穴,而是牢牢的被库仑力约束在一起.为了产生光电流,激子必须分离成能够自由移动的载流子,并在完全复合成为基态激子之前,移动至电极,被电极俘获,这样才能形成光电流.本文以Onsager[10]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阳能电池的数值模型.该模型包含了载流子的产生、复合、漂移和扩散等重要物理机理.模型的数值计算与实验结果符合较好.21理论与模型 有机体异质结太阳能电池器件通过金属2有机半导体2金属的图像来描述,其能级分布及电子与空穴传输如图1所示.半导体材料的导带底和价带顶分别是受体物质最低未占据分子轨道(LUMO )和给体物质的最高占据分子轨道(H OMO ).受体的LUMO 与给体的H OMO 的能量之差为其带隙(E gap ).电子与空穴的复合用Langevin 提出的双分子复合理论来表述[11].由于器件有机层非常薄(100nm 左右),我们假定器件中吸收光子产生激子的产生速率(G max )是相同的.自由电荷载流子的产生可分为两个阶段,如图2所示:首先,给体内有机层吸收光子产生束缚电子空穴对(激发态激子).激子的结合能大约为012—110eV ,高于相应的无机半导体激发产生的激子的结合能,所以不会像无机半导体激子可以自动离解形成自由移动的电子和空穴,而是需要电场驱动激子才能离解.在给体2受体的界面处电场较大,激子比较容易离解.可以看出,在有机体异质结太阳能电第57卷第11期2008年11月100023290Π2008Π57(11)Π7374206物　理　学　报ACT A PHY SIC A SI NIC AV ol.57,N o.11,N ovember ,2008ν2008Chin.Phys.S oc.图1　有机体异质结太阳能电池能级图(实线为给体能级,虚线为受体能级)图2　在给体材料和受体材料界面处的载流子分离示意图池的能量转化中,激子分离为自由电荷是产生光电流的一个重要的环节,这点已经被Mihailetchi 等人[12]证明.在高的反偏压下可得到饱和光电流,显示出激子(G max )几乎全部分离为自由电子和空穴.而在短路和最大功率情况下,只有一部分能衰变成自由载流子并对光电流产生贡献,这就是在这种器件中的主要损耗机理.与之相比,在短路和最大功率情况下电子和空穴的复合因素影响相对较小,特别在高的反偏压情况下,电子和空穴复合的对电流的影响可以忽略不计.低迁移率材料中的自由电荷的产生率可以用Onsager 成对复合理论[10]来解释.并不是所有光电流产生的激子(G max )都能离解成自由载流子,只有其中一部分能离解成对光电流产生贡献的自由载流子,其离解的大小依赖于电场和温度.因此,自由电荷的产生率G 可以表示为G (T ,E )=G max P (T ,E ),(1)其中P (T ,E )是在给体受体界面处的电荷分离概率,T 为绝对温度,E 为电场强度.Braun 对Onsager 成对复合理论做了重要的补充,指出约束空穴电子对是具有有限寿命的.如图2所示,产生的激子可能以速度k d 离解成自由载流子,同时以速度k f 衰变成基态,产生的自由载流子在扩散和漂移的过程中受到复合的影响,可能重新复合成为激发态的激子,其复合速率为R .那么,激发态的激子离解成对光电流有贡献的自由载流子的过程可以看成激子离解速率k d 与自由载流子重新复合成为激子速率R 的竞争过程.在给体受体界面,处于激发态的激子以k f 的概率衰变成基态,或者以与电场密切相关的k d 的速率分离成自由电荷.这里,衰变率主要受到声子的非辐射复合的控制[13].一旦分离,自由载流子以常数R 的速度复合成为激子.根据Braun 理论,在弱场下,对于给定电场强度和温度,激子分离成自由载流子离解概率为P (T ,E )=k d (E )k d (E )+k f ,(2)激发态激子分离速率k d (E )的表达式为k d (E )=k d (0)J 1[22(-b )1Π2]Π2(-b )1Π2=k d (0)1+b +b23+b318+b4180+…,　(3)这里J 1是1阶的贝塞耳函数,b =e 3E Π8πε0εr k 2T 2,e 是基本电荷,k d (0)表示电场为零时的离解率,其表达式为k d (0)=3γ4πa 3e -E b Πk BT,(4)γ是电子空穴复合系数,对于低迁移率半导体,复合系数为γ=e μ—Π(ε—r ε0),(5)其中ε—r 是相对介电常数的空间平均值,μ—是电子与空穴迁移率的空间平均值,a 是激子中电子和空穴之间的距离,E B 是激子的结合能,表示为E B =e24πεr ε0a.(6)此外,在像共轭聚合物富勒烯这些种材料中,给体受体分开距离呈无序分布,较好的假设是激子的电子2空穴对分离距离不是一个常数,而是呈高斯态分布[14].这时激子离解概率表示为P (T ,E )=N F∫∞p (x ,T ,E )F (x )d x ,(7)其中p (x ,T ,E )是在温度为T ,电子和空穴之间距离为x ,电场为E 的情况下激子的离解概率;F (x )=x 2e-e 2Πa2是空穴电子的分布函数,N F =4Ππ1Π2a 3是分布函数的归一化因子.每单位体积内的激子数X随时间的变化关系为d Xd t=G -k f X -k d X +R ,(8)573711期邢宏伟等:有机体异质结太阳能电池的数值分析其中R表示复合率,假设复合为双分子型,则R=γ(np-n2int),(9)电子和空穴的连续性方程为d n d t =1e9J n9x+k d X-R=nμn9E9x+μn9n9x+D n E92n9x2+k diss X-R,(10)d p d t =-1e9J P9x+k d X-R=-pμp9E9x-μpE9p9x+D p92p9x2+k diss X-R,(11)这里n,p是电子和空穴浓度,Jn(J p)是电子(空穴)形成的电流密度.n和p与电势V通过P oiss on方程联系起来92V(x) 9x2=eεrε[n(x)-p(x)].(12)稳态情况下,方程(10)和(11)变为99x J n(x)=-e(k d X-R),(13)99x J p(x)=e(k d X-R).(14)电势的边界条件是V(L)-V(0)=Egap-V a,其中L是有机层厚度,Va 是外加偏压,Egap是禁带宽度.如果顶电极和底电极接触均为欧姆型接触,则在x=0和x=L处的n和p的边界条件分别为n(0)=p(L)=N c,n(L)=p(0)=N c exp-E gapV t,(15)N c是导带和价带的有效态密度.31模拟结果与讨论311.与实验结果相比较 我们使用了郑立平等人的实验数据为主要研究对象[15],器件结构和能级结构如图3所示.光照情况下的电流密度J是以MEH2PPVΠPC BM为有机层的有机体质结太阳能电池分别在AM115(800W・m-2)模拟太阳光下和无光照情况下的辐射下获得的.图4中的实线是对100nm厚的MEH2PPVΠPC M B (1∶4的质量比)体异质结太阳能电池电流2电压特性和数值模拟的结果,其中空心圆和方块是实验结果[15].在图中,数值模拟的开路电压V0=0185V(外加偏压)与实验结果(01848V)非常接近的.所有使用到的参数如表1所示.图3　聚合物富勒烯太阳能电池器件能级图图4　常温下MEH2PPVΠPC BM器件的暗电流(方块)和光电流(空心圆)(虚线表示暗电流模拟结果,实线表示光电流模拟结果)表1　器件模拟使用的参数禁带宽度E gapΠeV1140电子迁移率μnΠ(10-7m2ΠVs)215空穴迁移率μpΠ(10-8m2ΠV s)310有效态密度N CΠ1025m-3215空穴电子对产生率GΠ1027m-3316介电常数εr3134电子空穴对距离aΠnm113衰减率k fΠ106s-1116这里需要指出的是,由于在聚合物中激子的距离不是恒定不变的,那么从以往的实验中证明其符合高斯分布[14],其分布函数如图4中的插图所示.从图4中可以看出计算的电流值在整个电压范围内与实验数据符合较好.6737物 理 学 报57卷3121短路时的器件 在短路情况下,电势、电流密度、载流子浓度和复合率如图5和图6所示.欧姆接触情况下,接触点的载流子浓度非常大.在器件的内部,空穴浓度高于电子浓度1个数量级,这是由于电子和空穴的迁移率不同所致,空穴的传输速度相对于电子来说比较慢,结果会在器件内积累.如果两者之间的迁移率之差变得足够大,那么空穴浓度将会变得很大以至于由于空间电荷使得光照情况下的电势与无光照情况下的电势不再相同.但是由于在短路时器件内部的电场非常大,载流子的抽出速率很快.空间电荷效应的影响很小,光生电荷的数量不足以明显地改变电势.进而导致器件内除了接近接触面的地方以外,其他位置的电场强度基本接近一个常量.同时造成内部的P 值也接近一常量,如图6插图所示.结果是,电流密度与其在器件中的位置成线性关系.唯一的一个例外是接触点附近,即接近x =0与x =L 的地方离解率很高,P 接近1,这主要归结于该点电场强度较高,P 造成电子和空穴的浓度都很高,特别是,同时由于其电场强度较强,造成了其大量的载流子聚集,同时使得在接触点的复合率大幅度提高,该点的复合率甚至超过了其产生率,这时复合就显得很重要,这里的复合率甚至超过了自由载流子的产生率.如图6所示.图5　短路情况下器件的电势和电流密度空间平均离解概率和平均复合率表达式为P =1L∫L0P (x )d x ,(16)k —R=1L ∫L0R (x )k dX d x .(17)在短路情况下,计算的空间平均离解概率 P=图6　短路情况下载流子浓度和离解率的空间分布(插图为激子概率的空间分布)7015%,表明在短路情况下,分离率和复合率同为影响器件电流的主要因素,这意味着提高器件性能的一个重要的方法是提高这种激子的分离率.计算的复合而损耗的电荷载流子数量与产生的载流子数量的比率k —R =2217%,即2217%的自由电荷载流子由于双分子复合衰减而损耗.电荷载流子的低损耗是高电场强度的一个必然结果,由于在短路时载流子浓度很低造成的,这种低损耗保证了电荷的抽出.既然载流子浓度很低复合很弱,因此载流子复合寿命相应的就很长.另一方面,由于高电场强度,载流子通过器件的时间很短,所以只有小部分载流子损耗掉了.所以激子的分离概率是影响短路情况下太阳能电池能量转换效率的主要因素.3131开路时的器件 如图7所示,在开路条件下,由于给体材料和受体材料H UMO 能级和LUMO 的不同,使得在有机层中形成了018V 的电势差.同时由于是开路下,有机层内部电子和空穴电流密度呈互补分布,但其总电流密度处处为0.这主要是由于两方面原因引起的.首先有机层内部电势差较小,内部除电极附近以外电场较小,进而导致其激子离解概率较低,这一点可以从图8的插图中看出,其平均离解概率为3211%.其次由于比较低的电场使得载流子抽出更加困难,造成绝大多数载流子还没有到达电极就已经复合,而不能形成电流,其复合率高达9711%.3141有效电压对器件的影响 有效电压即V 0-V a ,其中V a 为外加偏压,V 0是光照情况下电流密度为0时的补偿电压.在比较773711期邢宏伟等:有机体异质结太阳能电池的数值分析图7　开路情况下的器件的电势分布和电流密度图8　开路情况下载流子浓度和复合率的空间分布(插图为激子概率的空间分布)低的有效电压情况下,由于内部平均电场较小,离解概率较低,造成其载流子浓度较低,同时低的电场造成载流子移动速度较慢,使得载流子漂移的作用较弱.电子和空穴在不能及时的被抽出情况下,绝大多数已经复合.例如开路情况下有效电压V 0-V a =0时,其平均离解概率 P =3211%,而复合率高达k —R =9711%.在较高的有效电压情况下,其有机层内部平均电场较高,离解概率 P 明显较高,使得绝大多数激子可以离解成载流子,同时较高的电场使得载流子在有机层内部的移动速度较快,绝大多数电子和空穴在复合前已经到达电极,形成电流,电流以漂移电流为主.有效电压V 0-V a =2V 时,其离解概率 P =8911%,而其复合率降为k —R=819%.可以得出在低的有效电压情况下,离解概率低,复合率高,电流以扩散电流为主,随着有效电压的升到离解概率升到,复合率降低,电流以漂移电流为主,如图9所示.图9　随外加偏压变化时的平均离解率和平均复合率变化曲线3151温度对光电流的影响 器件光电流密度J PH 是衡量太阳能电池的一个重要指标,它是光照电流减去暗电流得到的.如图10所示,在不同温度情况下,随着有效电压的升高,光电流密度逐渐增大,同时不同温度引起的光电流差异逐渐减小.这主要是由于在低的有效偏压情况下,光电流以载流子的扩散为主,激子分解概率较低,增大温度能较大比例的提升离解概率.而在高的有效偏压情况下,离解概率已经处在一个较高的水平,虽然增大温度也能提升离解概率,但是提高比例较低,使得温度的影响较弱.图10　不同温度下电流光密度随有效电压变化的曲线41结论 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,建立了包含载流子漂移和扩散的有机体异质结太阳能电池数值模型.该模型与实验结果符合较好.器件在短路情况下,光子产8737物 理 学 报57卷生的激子离解概率较低,载流子复合率较高,电流以扩散电流为主.器件在开路情况下,光子产生的激子离解概率较高,载流子复合率较低,电流以漂移电流为主.有效电压是影响光电流的一个重要因素,激子离解概率随着有效电压的升高逐渐升高,复合率逐渐降低,使得电流逐渐增大,电流也从以扩散电流为主转变为以漂移电流为主.同时,随着电压的升高,温度对光电流的影响也逐渐变弱.[1]Sariciftci N S ,Sm ilowitz L ,Heeger A J ,Wudl F 1992Science 2581474[2]M orita S ,Y oshino K 1992Solid State Commun .82249[3]M eier H 1974Organic Semiconductor s (W einheim :Verlag Chem ie )[4]T ang C W 1986Appl .Phys .Lett .48183[5]Brabec CJ ,Sariciftci N S ,Hummelen J C 2001Adv .Funct Mater .1115[6]Y u G.,G ao J ,Hummelen J C ,Wudl F ,Heeger A J 1995Science 2701789[7]Brabec C J ,Sariciftci N S ,Hummelen J C 2001Adc funct mater 1115[8]Brabec CJ ,Z erza G,Cerullo G et al 2001Chem .Phys .Lett .340232[9]Y u H Z ,Peng J B 2008Chin Phys .B 173143[10]Onsager L 1934J .Chem .Phys .2599[11]Selberherr S 1984Analysis and simulation o f semiconductor devices (W ien ,G ermany :S pringer 2Verlag )[12]M ihailetchi V D ,van Duren J KJ ,Blom P W M et al 2003Adv .Funct .Mater .1343[13]B ssler H 1993Phys .Status Solidi B 17515[14]G oliber T E ,Perlstein J H 1984J .Chem .Phys .804162[15]Zheng L P ,Zhou Q M ,W ang F 2004Acta Chem .Sin .6288(in Chinese )[郑立平、周清梅、王　飞2004化学学报6288Simulation of polymer 2fullerene bulk heterojunction solar cellX ing H ong 2W ei Peng Y ing 2Quan Y ang Qing 2Sen M a Chao 2Zhu W ang Run 2Sheng Li Xun 2Shuan(School o f Physical Science and Technology ,Lanzhou Univer sity ,Lanzhou 730000,China )(Received 20January 2008;revised manuscript received 15April 2008)AbstractA numerical m odel of organic bulk heterojunction solar cell based on Onsager ’s theory of gem inate charge recombination and related theory of inorganic sem iconductors is described.the correctness of the m odel is verified by experimental data.On the basis of this m odel ,we analyzed the in fluence of effective v oltage and operating tem perature on the properties of organic solar cells and the factors that affect the photocurrent efficiency of the device.K eyw ords :organic solar cell ,bulk heterojunction ,simulation PACC :8630J ,7115Q ,7125C orresponding author ,E 2mail :yqpeng @973711期邢宏伟等:有机体异质结太阳能电池的数值分析。

异质结光伏组件参数-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分的内容可以如下所示：在当今世界上，光伏发电作为一种清洁、可再生的能源来源，日益受到人们的关注和重视。

在光伏发电系统中，光伏组件是最为核心和关键的组成部分之一。

而异质结光伏组件作为一种重要的光伏组件类型，其参数的研究和分析对于光伏发电系统的性能和效率至关重要。

本文将深入研究和探讨异质结光伏组件的参数。

首先，我们将介绍异质结光伏组件的定义和工作原理，从而为读者提供一定的背景知识。

接着，我们将重点关注异质结光伏组件的参数，包括但不限于电流、电压、功率、填充因子等。

通过对这些参数的分析和研究，我们可以更好地了解和评估异质结光伏组件的性能。

本文的目的旨在总结异质结光伏组件参数的重要性，并研究其对光伏发电效率的影响。

通过深入研究和探讨，我们可以更好地理解异质结光伏组件参数的意义和作用，为光伏发电系统的设计和优化提供科学依据。

此外，我们还将展望异质结光伏组件参数的未来发展趋势。

随着科技的不断进步和创新，光伏技术也在不断发展，新型的异质结光伏组件参数可能会出现新的突破和进展。

我们将对这些未来发展趋势进行一定的预测和展望。

通过本文的研究和分析，我们可以更好地认识和理解异质结光伏组件参数的重要性，并为光伏发电系统的设计和优化提供科学参考。

希望本文能够对读者在光伏领域的学习和研究有所帮助。

1.2 文章结构1.3 目的本文的目的是探讨异质结光伏组件参数的重要性以及其对光伏发电效率的影响，并展望其未来发展趋势。

通过对异质结光伏组件参数的深入研究，我们可以更好地了解光伏组件的特性和性能，并为光伏发电系统的设计和优化提供指导。

同时，对于准确评估光伏组件的性能和效率以及预测其未来发展方向，研究异质结光伏组件参数是至关重要的。

因此，本文的目的是系统地分析和总结异质结光伏组件参数的相关知识，以期为光伏行业的研究者、工程师和决策者提供有价值的参考和指导。

通过本文的阐述，我们希望能够加深对异质结光伏组件参数的理解，促进光伏技术的不断创新和进步。

聚合物异质结有机太阳能电池的研究3 聚合物异质结有机太阳能电池的研究3.1引言太阳能作为一种无污染、可以取之不尽用之不竭的巨大能源，在今天以及未来人类能源中必将占据越来越重要的地位。

太阳能电池作为将太阳能转变为电能的器件，广泛地被用于民用产品及太阳能发电系统中。

当前，在多种材料的太阳能电池中，主要都是由硅或无机物半导体制成的。

有机太阳能电池作为一种新型电池，由于其所具有的轻薄、低成本、可卷曲、可大规模制备等潜在的优点而受到科研工作者的极大关注[38-41]。

有机太阳能电池的机理已在前面叙述，有机太阳能电池最主要的就是如何进行激子分离。

电子给体/受体方式是实现有机光伏电池中激子分离的有效途径。

因此, 光敏层至少要使用两种功能材料(或组分), 即电子给体(donor 或D)与电子受体(acceptor或A)组成.在聚合物电池中, MDMO-PPV(聚[2-甲氧基, 5-(3′,7′二甲基-辛氧基)]-对苯撑乙撑)和P3HT(聚3-己基噻吩)是应用比较广泛的两种电子给体材料, 两者达到最高响应效率时所对应的光谱波长分别在550 和630 nm 左右(相应光子能量约为2.2和1.9 eV)。

而太阳光谱的能量则主要集中在波长为700 nm 左右(约1.8 eV)的近红外区,所以光敏层的响应范围和太阳光谱近似达到匹配。

目前在有机光伏电池中广泛采用的A 相材料为PCBM,由于其主体结构C60的对称性很高, 使得最低能量转换在形式上表现为偶极禁阻, 因此在可见光区域的光吸收系数很低.本论文中我们采用了PCBM:P3HT结构，通过不同的处理条件来提高器件的性能。

3.2仪器与药品表3.1 实验药品Table3.1. Experimental Drugs原料名称纯度生产厂家备注ITO 电子纯中国南玻集团股份有限公司清洗使用P3HT 电子纯吉林奥莱德有限公司直接使用PCBM 电子纯吉林奥莱德有限公司直接使用PEDOT:PSS 电子纯吉林奥莱德有限公司直接使用LiF 分析纯天津科锐思精细化工有限公司直接使用BCP 电子纯吉林奥莱德有限公司直接使用Al 99.999% 天津有色金属研究所乙醇清洗使用钨铝丝洛阳市福斯特钨钼工业有限公司乙醇清洗使用乙醇分析纯天津科锐思精细化工有限公司直接使用氯仿分析纯天津华东试剂有限公司直接使用丙酮分析纯天津华东试剂有限公司直接使用浓盐酸分析纯天津华东试剂有限公司直接使用1，2-二氯苯化学纯天津华东试剂有限公司直接使用纯净水分析纯天津科锐思精细化工有限公司直接使用我们使用的仪器包括器件的制备和表征系统，涉及旋涂机（KW-4A台式匀胶机）、真空、蒸镀薄膜、光电测量等等。

异质结电池反射率
异质结电池是一种由不同材料构成的结构，其中两种材料之间形成了 pn结。

反射率是指入射光线被材料表面反射的比例。

在异质结电池中，反射率对光的吸收和效率起着重要的作用。

光线在光伏电池的表面反射会导致光的损失，降低电池的效率。

因此，减小反射率可以提高光的吸收和电池的光电转换效率。

为了降低反射率，一种常见的方法是在电池表面涂覆一层抗反射膜。

这种薄膜可以改变光的折射率，减少从空气到电池中的光线的反射。

另一种方法是使用纳米结构，例如纳米柱阵列，来降低反射率。

这些纳米结构可以通过控制光在表面上的散射来减少反射。

降低反射率可以增加光在电池中的穿透深度，提高光的利用率。

这对于提高异质结电池的效率非常重要。