专题介绍有机太阳能电池研究进展X林 鹏,张志峰,熊德平,张梦欣,王 丽(北京交通大学光电子技术研究所,信息存储、显示与材料开放实验室,北京,100044)摘 要:有机太阳能电池与无机太阳能电池相比,还存在许多关键性问题。
为了改善有机太阳能电池的性能,各种研究工作正在进行,这些研究主要是为了寻找新的材料,优化器件结构。
对电池原理、部分表征方法、效率损失机制、典型器件结构、最近的发展、以及未来的发展趋势作了简要描述。
关键词:有机太阳能电池;器件结构;给体;受体;转换效率中图分类号:T N 383 文献标识码:A 文章编号:1005-488X(2004)01-0055-06Progres s in Study of Organic Sola r Ce llLIN Peng ,ZHANG Zhi -feng ,XIONG De -ping ,ZHANG Meng -xin ,WANG Li(I nstitute of O p toelectronics T echnology ,Beij ing J iaotong University ,Beijing ,100044,China )Abstr act :Compaer ed with inorganic solar cells ,organic solar cells still have many critical pr oblems.In order to improve the properties of organic solar cells,a lot of different studies have been carried on.T he main purposes of these studies are to seek new mater ials and new device structure.A brief review of the theory of photovoltaic cells,along with some aspects of their characterization ,the basic efficiency loss mechanism ,typical device structures ,and the trends in research will be presented.Key wor ds :organic photovoltaic cell;device structure;donor;acceptor ;conversion effi-ciency前 言进入21世纪以来,由于煤、石油、天然气等自然资源有限,已经不能满足人类发展的需要。
环境污染也已经成为亟待解决的严重问题。
同使用矿物燃料发电相比,太阳能发电有着不可比拟的优点。
太阳能取之不尽,太阳几分钟射向地球的能量相当于人类一年所耗用的能量。
太阳能的利用已经开始逐年增长。
但目前使用的硅等太阳能电池材料,因成本太高,只能在一些特殊的场合如卫星供电、边远地区通信塔等使用。
目前太阳能发电量只相当于全球总发电量的0.04%。
要使太阳能发电得到大规模推广,就必须降低太阳能电池材料的成本,或第24卷第1期2004年3月 光 电 子 技 术OPT OELECT RONIC T ECHNOLOGY Vol.24No.1Mar.2004X收稿日期:2003-11-17作者简介:林 鹏(1978-),男,硕士生。
主要从事光电子技术研究。
张志峰(1977-),男,硕士生。
主要从事有机电致发光(OLED)的研究工作。
熊德平(1975-),男,硕士生。
主要从事无机半导体材料方面的研究工作。
找到更廉价的太阳能电池材料。
有机小分子及聚合物材料(即塑料)是人们正在考虑的一类替代材料。
目前用有机材料制备太阳能电池是国际范围内的研究热点之一。
黑格等人因发明导电塑料而获2000年诺贝尔化学奖。
改善太阳能电池的性能,降低制造成本以及减少大规模生产对环境造成的影响是未来太阳能电池发展的主要方向。
有机太阳能电池制备工艺简单,可采用真空蒸镀或涂敷的办法制备成膜。
并且可以制备在可卷曲折叠的衬底上形成柔性的太阳能电池,如图1所示[1]。
用有机材料制备太阳能电池与硅太阳能电池相比具有制造面积大、廉价、简易、柔性等优点。
目前有机太阳能电池在特定条件下光电转换率已达9.5%[2]。
人们预期,未来5～10年,第一代有机太阳能电池可进入市场。
图1 塑料有机太阳能电池F ig.1 A fully flexible large-ar ea plastic solar cell1 原理和参数有机太阳能电池利用的也是光伏效应[3]。
有机太阳能电池在太阳光的照射下有机材料吸收光子,如果该光子的能量大于有机材料的禁带宽度E g ,就会使得产生激子。
图2就是给体-受体(Donor -Acceptor )结构。
受激发的电子给体吸收光子,其HOMO 轨道上的一个电子跃迁到LUMO,通常由于给体LU MO 的电离势比受体LUMO 的电离势低,电子就由给体转移到受体,完成了电子的转移。
激子分离后产生的电子和空穴向相反的方向运动,被收集在相应的电极上,就形成了光电压。
描述有机太阳能电池性能的主要参数有:1.短路电流I sc ,开路电压V oc 。
这两个参数都是在已知功率(W )和能量的光照下测量的。
图2 有机太阳能原理图F ig.2 The principal diagr am of organic solar cells 2.用来表示由于器件的电阻而导致的损失的参数FILL 因子(F F )FF =(I V )max I sc V oc 3.表示电池主要性能的参数能量转换效率(G P )G P =P o u t P in =(I V )maxLAG P =F FI sc V o cLA 4.外量子效率(EQE)EQE =外部电路电子数入射光子数 通过测量电流-电压曲线(I -V )(如图3)和电流-光谱响应曲线来描述电池的性能。
图3 电压-电流曲线(I -V )Fig.3 T he curve of t he voltage-curr ent2 材料特性目前常用的有机材料主要是小分子材料和高分子聚合物材料。
有机小分子光电转换材料具有低成本可以加56光 电 子 技 术第24卷工成大面积的优点以及有机小分子的合成、表征相对简单,化学结构容易修饰,可以根据需要增减功能基团,而且可以通过各种不同方式互相组合,以达到不同的使用目的。
利用有机小分子材料可以恰当地模拟生物体内功能分子的作用,给光电转换机理研究和结构与性能的关系研究带来了许多方便之处。
CuPC 、Alq 3就是一种常用的小分子材料(见图4)。
高分子材料是目前正在迅速崛起的一种新的光电转换材料,常用的如MEH-PPV (见图4)。
它的优点在于成本低、制作方便、易于推广普及。
从发展趋势上来看,此类材料有望成为新一代的太阳能电池材料。
图4 一些有机材料结构图Fig.4 The str uct ur es of some organic mater ials 与无机光伏材料相比有机光伏材料主要有以下方面的不足[4]:有机材料激子结合能大,相对不容易自然地分离成正负电荷,这样吸收光就不一定产生光电流;电子不是通过能带,而是通过在轨道间跳跃传输,电子迁移率明显降低;许多材料在氧和水的环境下不稳定;另一方面,由于必须有足够的拉力来打破光激子,较低的电子迁移率限制了有机膜的厚度,增加了器件内阻,使短路电流较小;非常薄的器件就使得界面的影响非常重要;温度的变化对光电流的产生有很大影响。
这会限制有机太阳能电池的应用[5]。
由于有机材料和无机材料各有优缺点,充分利用这两种材料优点制备有机/无机复合器件已成为当前研究的一个新热点。
3 器件结构目前,在各种报道中,主要有四种典型器件结构。
3.1 单质结结构最简单的结构就是两个电极之夹着一层有机材料的单质结器件(见图5(a ))。
电极一般都是IT O 和低功函数金属Al 、Ca 、Mg 。
对于单层结构电图5 典型器件结构Fig.5 The typical str uct ur es of the devices57 第1期林 鹏等:有机太阳能电池研究进展池来说,其内建电场起源于两个电极的功函数差异或者金属-有机染料接触而形成的Schottky-barr i-er。
该电场使得材料吸收光子产生的激子分离,从而产生了正负电子。
只有当激子扩散到电极和材料接触处激子才可能分离,一般激子的扩散长度只有1～10nm。
这就限制了这种器件的光电特性。
目前发现对有机材料进行I2[6]等掺杂可提高有机材料的电导率;通过表面离子极化(Surface Plasmon Polaritons)激发技术提高光吸收量可以提高电池的光电转换效率[2]。
A.R.Inigo等[6]报道当制造Polyaniline (Pani)Schottky-bar rier电池时加入CuPc粉末,该有机膜层的电导率增大了三个数量级;但是当Pani中掺杂I2时,似乎对光吸收没有影响。
A.R. Inigo等认为有选择地掺杂对光谱中短、长波长敏感的杂质可以提高太阳能转换效率。
对Schottky-barrier电池来说,入射到电池光电导层的光强有很大部分被反射掉,这降低了光电池转换效率。
这就需要优化电池的表面结构,将电池表面反射的光重新交和进入电池。
另一方面使用低的串联电阻和小的覆盖面的金属作为前电极易获得大的Fill因子和高的光电流。
3.2 异质结结构对于单层器件,激子的扩散长度很短使得产生的激子容易复合。
我们用给体-受体异质结结构可以提高激子的分离几率,而且也增宽了器件吸收太阳光谱的带宽(见图5(b))。
由施主和受主对材料组成的高聚物体系在本质上可以获得像半导体一样的p-n结。
当光与施主分子相互作用时,电子就能够从低的分子轨道提升到高的分子轨道从而产生激子。
在没有外界的影响下,驰豫过程随后产生;在此期间电子和空穴复合导致能量发射(通常是以比产生原跃迁波长更长的光的形式发射),但是如果受体存在,电子就向受主传输从而发生电荷分离。
1986年C.W.Tang[7]首次报道的双层有机太阳能电池(IT O/CuPc/PV/Ag)就是单异质结,其转换效率大约1%,Fill因子达到0.65。
经电池的稳定性测定V oc和I sc都表现出了极低的衰减(< 2%);而Fill因子却降低了近30%。
这主要是由于Ag电极衰减而引起电池大的串联电阻。
C.W.Tang对其电池的工作原理给出了定量的模型,认为CuPc和PV的光吸收产生激子,而产生的激子在膜层内扩散。