有机薄膜太阳能电池的简介

2020-06-04 初中辅导 阅读

  现今占主导地位的太阳能电池是以无机半导体为主要材料制成,自太阳能电池商业应用以来,单晶硅、多晶硅和非晶硅系列应用最为广泛。经过多年来的发展,硅基太阳能电池相关的技术已有了长足的进步,但依然没有脱离通过氧化-还原反应来提纯硅的方法,这一过程必然会使晶体硅太阳能电池制造能耗大、污染高、工艺复杂且生产设备昂贵。而有机半导体材料由于具有制作成本低、易制作、质量轻、富有弹性等特点,引起越来越多的关注,目前学者已在研究如何在电子器件中将现有的昂贵无机半导体材料用有机半导体材料加以取代,其中就包括有机太阳能电池的研究。

  有机太阳能电池的实现主要依赖于有机半导体材料中的光电转换功能。这些材料都有着一个共同的电子结构,即共轭n电子。由碳原子的单键和双键交替形成的体系成为共轭体系。在共轭体系中,每一个碳原子有几个等价的相互作用较强的a电子和一个相互作用较弱的n电子,并且n电子与这几个a电子所在的平面是垂直的。由于n电子之间的相互作用较弱,它们会形成光学带隙较大的成键态和反键态,分别对应于最高已占轨道(Highestmolecularorbital,LUMO),类似于无机半导体中的导带和价带。

  根据目前所利用的有机半导体材料不同,有机太阳能电池发展方向主要分为两大类:小分子和聚合物型。有机小分子材料容易合成和提纯,在成本上来说比高分子便宜,而且小分子材料的纯度高,意味着光吸收效率高,其载流子迁移率也相对高些。但是,小分子材料结构过于钢化,不溶解于普通溶剂,导致制作成本相对较高。小分子材料采用的是平面异质结构,即传统的双层薄膜型结构。聚合物虽然分散度高,不易提纯,采光率低,但是可以溶解于普通溶剂中,且制作容易(可直接用旋涂法制备),极大地降低了制备成本。聚合物大都采用混合异质结构,即体异质结结构来弥补其带来的缺陷。这里的划分是对工作物质材料均为有机物而言,有机与无机材料的混合使用并未计人其中。

  1小分子有机太阳能电池双层结构的有机太阳能电池工作原理如图i所示。作为给体的有机半导体材料吸收光子之后产生电子-空穴对,也就是激子,电子注入到作为受体的有机半导体材料后,先成为电荷迁移激子,在电场的作用下最终使空穴和电子分离,继而空穴和电子分别被两个电极所收集,形成光电流。在这种体系中,电子给体为P型,电子受体则为n型有机半导体。

  与无机半导体材料相比,有机分子之间的相互作用要弱得多(分子间的作用主要为范德华力),不同分子之间的LUMO和HOMO并不能在整个体相中形成连续的导带和价带。常温下,载流子在有机半导体中的传输,需要克服分子间的势垒,在不同分子之间的“跳跃”来实现,宏观的表现就是其载流子迁移率要比无机半导体材料低得多。

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