有机太阳能电池的结构以及工作原理解析

在生活中，你可能接触过各种各样的电子产品，那么你可能并不了解它的一些组成部分，比如它可能含有的有机太阳能电池，那么接下来让小编带领大家一起学习有机太阳能电池。有机这个概念貌似很新，但其实它的历史也不短——跟硅基太阳能电池的历史差不多。第一个硅基太阳能电池是贝尔实验室在1954年制造出来的，它的太阳光电转化效率接近6%;而第一个有机光电转化器件是由Kearns和Calvin在1958年制备的，其重要材料为镁酞菁(Mgpc)染料，染料层夹在两个功函数不同的电极之间。

有机太阳能电池工作原理

顾名思义，有机太阳能电池是其核心部分由有机材料组成的太阳能电池。重要使用具有光敏性的有机物作为半导体材料，并通过光伏效应出现电压以形成电流，从而达到太阳能发电的效果。

在有机材料中，尽管最高占据的轨道OMol和最低的空轨道GUM等效于无机半导体中的价带(VB)和导带G⑴，但有机材料的HoMO和LUMO能级是分开的，并且与无机能级不同材料。半导体中的持续能级VB和CB。因此，有机材料中的载体被局部化。与无机半导体材料中半径较大的万尼尔激子不同，有机材料中的激子重要是半径较小的弗伦克尔激子，电子-空穴对之间的结合力大于瓦米尔激子。因此，与在吸收光之后出现自由电子-空穴对的无机光伏器件不同，有机光伏器件在吸收光之后出现流动的激发态(即，结合的电子-空穴对)。在激子中，电子-空穴对之间的库仑效应相对较大，有机物的介电常数小，因此激子解离所需的能量高于热运动的能量。因此，难以使激子在有机材料中解离，并且不容易形成自由载体。这些特性决定了有机太阳能电池的工作机理与无机pn结光伏器件的工作机理有很大不同。

可以看出，器件的光电效应过程如下(图4o)：①当能量大于HOMOˉLUMO能隙的光子受到辐照时，供体分子将从基态跃迁到激发态，形成激子;②中性施主激子经历扩散，然后到达施主和受主之间的界面;③界面附近的施主激子借助内置的电场克服了激子中电子-空穴对之间的库仑结合力。然后进行从供体转移的电荷转移电子，将LUMO能级转移到受体LUMO能级上，形成电荷转移络合物;④电荷转移络合物中的电子-空穴对要克服在库仑结合力再次分解成局部自由电荷(即阳离子载流子)之前，电流载流子和阴离子载流子(图4③;⑤)负载的正负离子通过运输分别到达阳极和阴极，并被电极收集以形成光电流。

有机太阳能电池的结构

有机太阳能电池按照半导体的材料可以分为单质结结构、p-N异质结结构、染料敏化纳米晶结构。

单质结结构

单结结构是基于肖特基势垒原理制造的有机太阳能电池。它的结构是玻璃/金属电极/染料/金属电极，它利用两个电极的不同功函数来出现电场。电子从功函数低的金属电极转移到功函数高的电极以出现光电流。由于电子和空穴都在相同的材料中传输，因此光电转换率相对较低。

p—N异质结结构

p-N异质结结构是指具有施主-受主(N型半导体和p型半导体)结构的异质结结构。其中，半导体材料重要是染料，例如酞菁化合物和per四甲醛亚胺化合物，它们使用D/A界面(施主-施主，受主-受主)和电子层之间的电子-空穴分离。不同材料的转移特性提高了分离效率。EliasStathatos和其他人结合了无机和有机化合物的优势，制成了光电转换率为5%至6%的太阳能电池。

NpC(nanocrystalinephotovoltaiccell)染料敏化纳米晶

染料敏化太阳能电池(DSSC)重要是指一种使用染料敏化多孔纳米结构TIO2薄膜作为光阳极的太阳能电池。它是模仿植物叶绿素光合用途原理的太阳能电池。但是，NpC太阳能电池可以选择合适的氧化还原电解质来提高光电效率，一般可以稳定在10%以上，纳米晶TIO2易于制备，成本低，使用寿命长，具有良好的市场前景。