有机光伏电池

光伏作用光照在不均匀的半导体或半导体与金属结合的不同部位而在其之间产生电位差的现象。（光子f电子；光能f电能）传统半导体光优作用：光照射到半导体时，如果入射光子的能量E小于半导体的禁带宽度Eg光透射过此物质，半导体表现为透明状；反之，光子将被半导体吸收，光子流和半导体内的电子相互作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学效应，统称为光子效应。光生伏特现象就是其中之一，它属于内光子效应。我们知道，P型半导体和N型半导体接触时会产生PN结，又称为空间电荷区、势垒区等，这些空间电荷在结区形成了一个从N区指向P区的电场，称为内建电场。PN结开路时（零偏状态），在热平衡下，由于浓度梯度而产生的扩散电流与由于内电场作用而产生的漂移电流相互抵消，总电流为零，也就是说没有净电流流过PN结。（个人笔记：光优作用也就是通过超能带宽度的光子流将能量带入空间电荷区（进入半导体很薄一层，指数衰减），进而进入导带，使PN结内产生空穴-电子对移动，而后形成电势差，这与PN结导通原理相似，但这是外生变量刺激的结果，而不是电压刺激产生电压通路的本来情况，因此可以达到转化的这一目的。思考：可不可以利用其他能量产生传递机制，例如声能激发以上过程，并以此产生声优效应？在PN结中，空间电荷或者说势垒区已经是前提条件，我们需要的只是一种引燃的能量，因此或许类似方法可以行得通，但是考虑相关能量传导机制后，才能得到确切答案）PN结光伏探测器可以等效为一个普通二极管和一个恒流源的并联（入射光强恒定时光电流也恒定可以看作恒流源），利用理想、二极管的特性方程可得：f=k）-4=L（expfev/kT）一1）一R其伏安特性如图所示，PN结正偏情况不作讨论，因为正偏时正向电流很大，光电流几乎不起作用。第三象限是PN结反偏情况，无光照时光功率P=0这时也L就是PN结的反向饱和电流，称为暗电流，曲线是普通二极管的反向特性；当有光辐射时忘不为零，且随入射光功率的增大而增加。随着光强增大反向特性曲线随之下移，光照越强（P3>P2>P,）下移越多，反向电流也越大。这种工作模式称为光导模式，相应的探测器件称为光电二极管。它在微弱、快速光信号探测方面有着非常重要的作用。

其他种类的传统半导体光伏器件：PN光电二极管；雪崩光电二极管：肖特基势垒光电二极（尤其适合无法形成自然PN结材料，利用了金属和半导体材料接触）有机光伏效应通过光伏作用将太阳能或其他形式的光能转化为电能的有机材料；主要种类包括有为什么会促生有机光伏材料？传统的光子材料为无机半导体材料如Si、Ge.GaAs、GaP、GaN和SiC等。但由于这类无机材料制作太阳电池存在生产工艺复杂、成本高、难设计、不透明和制作过程耗能高等不足，同时，其成熟技术的转换效率己基本达到极限值，使进一步改进受到相当大程度的限制。近年来，导电聚合物的快速发展使得研究开发低成本太阳电池成为可能。共斩导电高分子材料由于在一定程度上同时具有聚合物的柔韧性和可加工性、以及无机半导体特性或金属导电性，因而具有巨大的潜在商业应用价值。随着有机聚合物研究向广度与深度的不断发展许多在传统材料中发现的光子现象在有机半导体聚合物中也同样被观测到。用这类聚合物制作的高性能光子器件包括发光二极管、发光电化学电池、光伏电池、光探测及光电耦等这些器件的很多性能都已达到或超过相应的无机材料器件。而有机聚合物光优电池以其低成本、可弯曲和大面积的优点倍受学术界和工业部门的关注有机光优电池的基本原理与无机太阳电池类似：（1）一定光照射到有机光伏器件后，具有能量hv>E的光子被有机半导体层吸收，就会激发一个电子从价带跃迁到导带，而在价带处留出空位，这一空位被称为空穴，空穴带有正电荷；（2）在传统的半导体中，被激发的电子和形成的空穴会自由地向相反电极方向移动。而在导电聚合物中，受入射光子激发而形成的电子和空穴则会以束缚的形式存在;成为激子；（3）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（见图1）0图1有机光伏电池基本原理示意图Fig.1Theprincipleoforganicphotovoltaicdevices

a电子和空穴的产生；b激于的分离和迁移

有机光优材料区别于无机材料的特点是：(1)光生激子是强烈地束缚在一起的，它们一般不会自动地分离成单独的电荷；(2)电荷是以跳跃方式在定域状态形式的分子间传输的，而不是在带内传输，所以具有低的迁移率；(3)相对于太阳光谱来讲，它们的吸收光波长范围很窄，但光吸收系数高CloScmT),lOOnm左右的薄膜就可以得到较高的光密度；(4)这些材料在有氧和水存在的条件下往往是不稳定的；(5)作为一维半导体，它们的电和光性能具有较高的各向异性，而这对于器件设计来讲具有潜在的应用价值。有机光伏电池材料的分类：按照机械性和加工性可分为不溶的、可溶的及液晶材料等。通常包括小分子或低聚体、高聚物及液晶分子。能够吸收可见光的低聚体或单体称作发色团，其中具有溶解性的称作染料，而不具溶解性的则称为颜料。通常有机光伏电池的制作工艺取决于激活层材料的溶解性。对于不溶的颜料分子采用高真空气相沉积法成膜；晶体颜料分子可以使用物理蒸发生长成膜；染料和可溶性聚合物可通过溶液旋转涂膜、刮涂成膜、丝网印刷、层压旋转涂膜或°目前用于光优策件研究的聚合物材料主要包括聚嗟吩(PTH)衍生物、聚苯乙快(PPV)衍生物、聚对苯(PPP)衍生物、聚苯胺(PANI)、聚(2,5-毗知乙决(P2VP)以及其它类高分子材料。目前有机光优材料发展面临的问题：有机聚合物光伏电池的开路电压通常为几百毫伏最高可超过一千毫伏。而其短路电流一般都很低，为毫安级，填充因子也较低(<0.5)o因此，提高光子的收集效率、激子和自由载流子的界面分离、降低光电池的内阻和增加短路电流等成为有机聚合物光伏电池研究的重点和难点O目前光伏器件的结构种类一般有四种。单层器件、双层或多层器件、复合层器件、层压结构器件。图6不同有机光伏器件结构示意图Hg.图6不同有机光伏器件结构示意图Hg.6Schematicpresentationofthedifferentorganicphotovoltaicdevicearchitecturesa单层:b给傩受体双层:c给佐受体复合层:d层压给依受体结构考虑减弱光优器件之间电荷复合以提高器件工作效率，需先知目前将施主受主分子结合制作光电池的方法主要有三种：(1)将施主和受主分子分别涂敷在导体表面形成单异质结；(2)将施主和受主分子混合在一起，在整个器件内形成一个异质结体系；(3)在施主和受主分子层之间插入一层激子中间层，使产生的电子和空穴载流子向受主和施主层迁移形成双异质结，目前研究较多的是将施主和受主分子混合在一起，在整个器件内形成一个异质结体系，这种结构的优点可以使激活层厚度增加超过了激子扩散范围的两倍。而难点问题是如何形成给体受体分子相的互穿导电网络而不是混杂的复合体，这就要求在给体-受体相中每一个点都应该通过各自的材料与相反的电极接触，而给体材料或受体材料中的"孤岛”都应该具有光活性且电绝缘性的。如能达到这种效果的话，就会大大提高光伏电池的效率。（个人笔记：是否可以通过规范磁场的作用来限制给受体的相对位置，形成所需要的规范互穿导电网络？）有机光伏材料研究方向：有机光优电池的研究成果是喜人的获得了较高的开路电压但是短路电流和填充因子要比无机光优电池低的多。较低的光电流是由于较低的光吸收以及光电流产生和传输中的较大损耗造成的，而填充肉子则是由于低的电荷传输和高的复合所致。目前研究大多数集中在：（1）改善光吸收，主要是使用具有红外吸收的聚合物和共辄结晶染料；（2）改善光电流的产生，使用具有高流动性的聚合物及高有序相液晶材料；（3）器件制备过程的优化与稳定性；（4）对有机光伏器件物理理论及实验技术的理解。高效有机光优器件具备的两个基本元素就是光诱导电荷产生及分离（电子传输效率）和产生的电荷传输到电极（电荷载流子迁移率），这两个不同的过程要同时在同一材料中完成。如何有效的完成这一过程是决定有机光优器件效率的关键一个可能的方法就是通过器件中单独的组分来分别完成电荷传输和电荷产生这对有机光优材料和器件研究提出了新的挑战。具有多功能光电特性的有机光优材料应该通过分子设计朝如下方向发展：（1）具有可调的电、光特性，如：带隙、电子亲合能及传输特性；（2）加工简单，可制成大面积薄膜并厚度可控；（3