有机太阳能电池原理与发展简介
1 发展背景 2太阳能电池基本原理 3有机/聚合物太阳能电池研究进展 4 影响有机/聚合物太阳能电池效率的因素
1 发展背景
太阳能电池的工作基础是光生 伏特效应，1839年被人发现。
然而直到1954年人们才发明太 阳能电池。从此太阳能利用技 术发展迅速！
1.1硅太阳能电池
3.1 单层器件
• 只有一层同质单一极性的有机半导体材料 内嵌于两个电极之间.也称为肖特基电池
3.2 双层器件
• 在双层光伏器件中, 给体和受体有机材料分 层排列于两个电极之间, 形成平面型 D-A 界面,激子的扩散距离约为10 nm
3.3 复合层器件
• D和A共溶于一个有机溶剂中, 然后通过旋 涂等方法制成了 D 相和 A 相互相渗透并各 自形成网络状连续相的共混薄膜, 也就是所 谓的体相异质结体相异质结
3有机/聚合物太阳能电池研究进展
• 有机太阳能电池材料根据电荷的传输可分 为有机空穴传输材料（P型,电子给体简称为 D，即Donor）和有机电子传输材料（N 型 ，电子受体，简称为A，即Acceptor）
D和A是有机/聚合物太阳能电池器件不可缺 少的材料。
基于D和A的有机太阳能电池器件设计 方面出现了多种结构:单层器件、双层 或多层器件、复合层器件、层压结构 器件
• 通常这些电子-空穴是在光子激发时形成的 , 如果在电场或在界面处 ,这些电子-空穴对就 会分离成电子和空穴 ,也就是所谓的带电载 流子 ,它们的迁移就形成了光电流
• 目前高分子太阳电池面临的最大问题是其 光电转换效率仍十分低下，通常为1%~2%
• 根据推测，有机太阳能电池的光电转换效 率如能达到10%，将具有巨大的市场
1.4有机聚合物太阳能电池
• 有机太阳能电池由于其材料来源广泛、制 作容易、成本低、柔性好等优势，对太阳 能电池的推广具有重要意义
• 但有机太阳能电池的研究才刚刚开始，电 池的效率和稳定性都太低，无法和其他太 阳能电池相比，要发展实用化，还需要进 一步的研究。
2太阳能电池基本原理
• 太阳能电池也叫光伏电池，其发电过程主 要有三个过程。
• 第一，半导体材料吸收光能产生出非平衡 的电子-空穴对或偶极子
• 第二，非平衡电子和空穴从产生处向势场 区运动，这种运动可以是扩散运动，也可 以是漂移运动
• 第三，非平衡电子和空穴在势场的作用下 向相反的方向运动而分离。
2.1无机硅太阳能电池原理
• 入射太阳光被吸收后直接产生可自由移动 的电子和空穴, 它们在p-n结本征电势的驱 动下分别被输送到阴极和阳极, 然后通过外 电路完成循环而做功
不足：内部结构不稳定，强光 下产生疲劳效应，效率会变低
1.2 化合物半导体太阳能电池
• 主要有砷化镓（GaAs）、GuInSe2、碲化 镉太阳能电池等。
铜铟锡（CuInSe2，简称CIS） 率高， 制备成本低，性能稳定。
优点： 碲化镉（CdTe）高效廉价带隙低（1.45eV）
砷化镓转换效率比较高
4.3 激子的解离
• 光激发有机/聚合物太阳能电池材料产生偶 激子后，需要分离才能向电极迁移
• 为了形成具有电荷分离作用的异质结, 材料 体系的选择非常重要.
4.2光敏层的载流子迁移率
• 光诱导的偶激子分离成电子和空穴以后需 要到达电极才能产生电流
• 在电子/空穴的传输过程中如果迁移率过低 ，或迁移路径不完整，电子空穴很容易再 复合或者被诱捕掉。
化合物半导体多数带有毒性，易 污染环境。
缺点：
Ga、In等为比较稀有元素。目前 化合物半导体太阳能电池只能用 在一些特殊的场合
砷化镓制备成本高
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1.3 纳米晶化学太阳能电池
也叫染料敏化太阳能电池
优点：纳价米的晶成本Ti和O2简太单阳的能工电艺池及优稳点定在的于性它能廉。 缺点： 液体电解质易泄露，不易大规模发电
3.4 层压结构器件
• 层压结构的聚合物给体受体光伏器件被认 为是双层器件与复合体器件的中间态
3.5 D/A二元体系
• 将具有电子给体性质的单元以共价键方式 连接到受体聚合物或者小分子上, 形成分子 D-A 结材料
4 影响有机/聚合物太阳能电池效率的因素
• 目前聚合物太阳能电池的效率还很低, 如何 提高它的转换效率是能否商业化和与传统 无机光伏电池竞争的关键. 当前限制聚合物 电池转换效率的主要因素如下.
• 贝尔实验室发明了第一块太阳能电池。其 效率从1954年的6％，到现在的25％以上， 此类太阳能经历了单晶硅到多晶硅以及非 晶硅微晶硅的发展阶段。
优点：效率高，性能稳定
• 单晶硅： 不足：效率达到极限生产过 程耗能高，工艺繁琐
优点：效率高，生产过程耗能较少 （目前在太阳能市场占主导地位）
多晶硅
4.1 光敏层的禁带宽度
• 不同的太阳能电池材料有不同的禁带宽度 ，只有禁带宽度足够小才能，这种材料才 能吸收光子并产生空穴电子对。
• 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，所以说做 太阳能电池的光敏材料的禁带宽度越低越 好！
寻找光谱响应与太阳光相匹配的有机光敏 材料就成为目前研究的一个热点和解决聚 合物电池转化效率低的一个突破口.
• 其中晶体硅作为半导体材料，人们对它研 究得最多,技术最成熟，效率也最高，最高 可达24％，即在AM1.5下每平方米的电池 板每小时产生854×24 ％=204.96W的功率
• AM即air mass，大气质量，AM1.5表示光 强是85.4mW/cm2
2.2有机/聚合物太阳能电池原理
• 在聚合物太阳能电池中光电响应过程是在 光敏层中产生的. 导电聚合物吸收光子以后 并不直接产生可自由移动的电子和空穴, 而 产生具有正负偶极的激子(exciton)，它们会 以束缚的形式存在。