纳米材料在有机太阳能电池中的应用研究

纳米材料在有机太阳能电池中的应用研究 纳米材料在有机太阳能电池中的应用研究张馨元吉林大学分类号TM914.4单位代码10183研究生学号xx511040密级公开分类号TM914.4单位代码10183研究生学号xx511040密级公开吉林大学博士学位论文张馨元2019年6月2019年6月纳米材料在有机太阳能电池中的应用研究The study of nanomaterials application in organic solar cells作者姓名张馨元专业名称微电子学与固体电子学研究方向有机太阳能电池指导教师谢文法教授学位类别理学博士培养单位电子科学与工程学院论文答辩日期2019年5月29日授予学位日期年月日答辩委员会组成姓名职称工作单位主席刘雷研究员中科院长春光机所委员石强研究员中科院长春应化所董玮教授吉林大学阮圣平教授吉林大学张歆东教授吉林大学吉林大学博士学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名日期年月日关于学位论文使用授权的声明本人完全了解吉林大学有关保留、使用学位论文的规定，同意吉林大学保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权吉林大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 （保密论文在解密后应遵守此规定）论文级别硕士博士学科专业微电子学与固体电子学论文题目纳米材料在有机太阳能电池中的应用研究作者签名指导教师签名年月日作者联系地址（邮编）吉林省长春市前进大街2699号 （130012）吉林大学前卫南区唐敖庆楼作者联系电摘要纳米材料在有机太阳能电池中的应用研究有机太阳能电池（OSCs）在新型绿色能源的研究领域占据着举足轻重的地位。 着眼于光转换电的过程中效率及能量的损失机制，从光与电的角度协同探索，使得器件的效率得以不断的刷新突破，包括对电池器件展开材料的创新设计、结构的改进和工艺的改良与升级。 即便电池效率正不断逼近产业化可用的标准，想要进一步冲出效率制约关卡，却不能单独凭借材料与工艺的突破，因此界面工程也愈发凸显其重要地位。 本文通过利用具有独特优势的纳米材料来调节OSCs器件中的界面，即异质结内部激子解离界面和各功能层之间的界面，来实现用简易环保的方法提高光伏电池的性能。 综合对器件的光子利用，界面特性，以及电荷传输行为各方面的分析，找到利用纳米材料提高器件性能的突破口。 针对反置器件性能及稳定性，做了以下几个部分的探究:针对反置电池中电子传递层常用材料二氧化钛（TiO2）纳米膜存在表面缺陷以及与有机活性层接触不够理想的缺点开展界面修饰。 通过引入具有羧基（-COOH）官能团的碳量子点，使其可以通过简单的自组装方式成为金属氧化物的界面修饰层，通过调节碳量子点溶液的浓度就可以调节自组装膜的特性。 该量子点可以填补TiO2膜表面缺陷，改变阴极缓冲层的表面功函数，使其更接近于异质结中受体材料的LUMO能级，更加利于电子载流子的抽取，减少界面处的电子由于不能及时抽取而累积造成的损失，减少陷阱对载流子的俘获，从而提高光电流。 此外，自组装修饰后的阴极缓冲层，与有机活性层的接触也得到了优化，有利于器件串联电阻的减小。 我们分别使用两种不同活性层体系PCDTBT:PC71BM和P3HT:PC60BM组装了电池器件，分别实现效率19.77%和18.50%的提高。 对反置器件中另一常见电子传输层氧化锌（ZnO）纳米膜的厚度对器件性能的影响展开了研究。 同时利用聚乙烯亚胺（PEI）分子对纳米膜表面进行钝化，找到最佳器件工作条件下复合膜ZnO/PEI中ZnO层的厚度。 在单独使用ZnO作为电子传输层的器件中，当ZnO纳米层的厚度为30nm时，两种不同活性层IIPTB7:PC71BM和P3HT:ICBA器件分别实现7.52%和5.36%的效率。 通过PEI修饰的复合膜器件，当ZnO层厚度为26nm时，器件实现最高的优化效率，分别为9.43%和7.07%。 减薄的ZnO膜提供了更理想的粗糙度，有效覆盖的PEI钝化了纳米膜表面缺陷和裂隙，抑制漏电的可能，为活性层提供一个更好的成膜衬底从而实现更好的相分离，更有利于电荷的分离和抽取，从而提高器件性能。 基于以上探究，设计了基于活性层掺杂PEI分子，实现对阴极界面缓冲层界面的自组装修饰的实验，最终实现器件界面特性的优化。 将具有优异的光电性能的碳纳米粒子，掺杂到聚合物P3HT与ICBA共混体系中，通过调节掺杂浓度来实现器件性能的优化。 当掺杂碳纳米粒子浓度为3wt%时，器件的效率由基础器件的4.12%提高到5.90%。 活性层中掺杂该纳米粒子调节异质结内部的网络，提供了更多有利于激子的解离为电子和空穴的界面。 同时，掺杂的纳米粒子可以作为散射中心，增加光路在活性层内的传播路径，提高入射光的利用率。 掺杂的方法成本低，简单且有效，不增加工艺的流程，从光学和电学两方面提高了电池的工作效率。 此外，我们还探索了其他纳米材料对活性层掺杂，利用NaLuF4:Yb,Tm纳米棒掺杂活性层，调节掺杂浓度，实现器件效率19%的提高。 此外，还利用尺寸在1-5nm范围内的纳米碳点对绝缘性的阴极缓冲层进行掺杂。 通过光吸收散射和激子产率的测试分析，证实了掺杂的阴极缓冲层，一方面提高了活性层的光吸收利用率，促进了光生激子的生产，另一方面减小了器件的的串联电阻，增强了电子的迁移能力。 通过单电子器件性能对比，未掺杂情况器件中的电子的迁移率为2.7103cm2V-1S-1，最佳掺杂浓度下，器件中电子的迁移率提高到5.5103cm2V-1S-1，证实了电子在纳米碳点掺杂的PEI阴极缓冲层器件中的传输特性提高了。 掺杂浓度对薄膜的粗糙度也有较大的影响，同样会作用于活性层薄膜的形貌，当掺杂纳米碳点浓度为1.0wt%时，激子的分离概率最高，载流子的复合损失减少，层与层之间实现更好的接触，从短路电流和填充因子两个方面同时提高，实现光电效率的优化。 同时实现了器件稳定性的优化。 现当今社会的能源消费结构致使全球正面临生态危机与资源枯竭，因此促进以太阳能为主导的再生洁净能源早日成为生产生活的中流砥柱已经迫在眉睫1,2。 氢原子在高温高压下发生核聚变，使得太阳向外部源源不断的释放巨大的热辐射能量，有22亿分之一将被地球所捕获，换算成直观的数据，每年地表真正接受的于太阳的能量大概为1.81018kWh，比全世界消耗能量的几倍还多，相当于每秒四亿吨煤炭资源的供能3。 太阳辐射的能量资源不仅巨大且可以长久的利用，至少几十亿年内太阳都将处于稳定旺盛的阶段，无论出于可持续角度抑或是环境生态的方面考虑，其相关产品的开发产生的正面效益都是极其可观的而弊端都是最小的4。 笼统的说地球各处都可以接收到太阳的电磁波，格外引人注目的是不管是在偏僻阻塞的山村、孤立的岛屿、还是大漠深处实现利用阳光资源的充分开发都是一劳永逸的举措，只要搭建好光伏系统组件，不需要开采运输就可以实现能量的利用5-7。 对阳光能源的开发主要有利用真空集热管等聚集阳光为热以供使用和利用光伏器件将光转换电的两种主要方式,如图1.1。 电能，已经成为这个时代最依赖的消费品之一，渗透各个领域如出行、医疗、娱乐，可以说几乎一切仪器设备、家电产品都要依靠电能正常工作。 我们称一类具备吸收阳光能量转换为电能输出能力的装置为光伏器件8,9。 从长远的目光出发，发展柔性、低造价的大规模光伏行业，尤其是有机薄膜太阳能产品必将功在当代利在千秋10-14。 其中，作为最重中之重的有机太阳能电池产业，推陈出新效率兼顾稳定性的器件已经成为关键目标。 就我国而言，以安全高效为目标的光伏产业在国家的大力鼓励下不断发展，“十一五”、“十二五”计划中都将推动太阳能为常规能源列为重点项目，也取得了瞩目的成绩，我国相关领域的成果也跻身于世界太阳能源发展的领军队伍中。 工信部在“十三五”发展规划中更是明确了建立集中式与分布式的多元化太阳能应用格局的发展方向，朝着安全，稳定，实业化迈进，确定到2020年太阳能发电超过1亿千瓦时的预期目标。 2图1.1（a）太阳能转换热能太阳能热水器；（b）太阳能转换电能太阳能电池1.2光伏器件的分类与发展自十九世纪三十年代，年轻的科学家Alexandre-Edmond Becquerel发现光生伏打效应，随后William、Richard和Charles在金属半导体异质结上便证实了该现象的存在，尽管器件所呈现的效率十分微小15。 光伏效应定义为光照使得结（junction）不同部位产生电位差，将有电压的两处连通，就会有电流的输出，该过程概括为图1.2。 首个具有6%的光电转化效率的硅太阳能器件问世于贝尔科研中心，标志着光伏领域的探索的正式扬帆起航，陆陆续续的研究从未中断，至今已经历时一个多世纪，研究热潮亦是一浪高过一浪16-19。 按照光响应材料可以分为由单、多晶及非晶硅薄膜硫化镉、铜铟镓硒等一类无机半导体结制作的器件、染料分子敏化电池、有机（塑料）光伏电池和钙钛矿电池等类型20-24。 图1.2光伏效应示意图首先登场的太阳能电池的是硅基太阳能电池是发展最成熟、始终占据太阳能3应用市场的，其效率也已逼近31%的理论峰值，而多结太阳能电池性能更是优异，其效率甚至可以超过40%25,26。 只不过为了实现如此高效的性能，必须要高纯的半导体材料且满足相当的厚度，以保证载流子迁移率在1k cm2/Vs以上，而且不能忽略的是无机太阳能电池工艺过程要求极高，生产设备昂贵，难度大，过程伴随着生产污染，生产耗能也极大，经济效益来看十分不可观，不便携等劣势27。 下一代太阳能电池以材料I-III-VI族四元化合物半导体，如砷化镓（GalliumArsenide），铜铟镓硒（Copper IndiumGallium SelenideCIGS）等黄铜矿的晶体构造等的薄膜型器件，光敏层半导体材料为直接带隙，禁带宽度能够在1.01.7eV范围内连续改变、吸光强、弱光好，可以较好的抵抗辐射造成的材料性能的衰退。 xx年美国First Solar认证的CdTe光伏器件具有22.1%的效率，xx年德国ZSW认证具有22.6%效率的CIGS光伏器件。 不过，就原材料本身而言就是含重污染巨毒元素的，而且资源稀缺，这一系列不可避免的问题都制约了无机光伏全面覆盖的应用。 新生代新概念太阳能电池发展迅猛，范围最为广泛，涵盖了有机电池、量子点电池、染料分子电池、钙钛矿电池等一系列新兴材料制备的器件27-32。 有机太阳能电池以共轭有机小分子或聚合物捕获光子能量，具有可折叠弯曲、轻巧的特点使得他们在可穿戴、便携设备上的应用颇具潜力。 且它可通过全溶液制备，或是卷对卷印刷等方式批量制备大面积器件，也使得它们备受业界青睐。 更加分的是有机太阳能电池具有半透明或色彩可调的特点，不止在窗户、屋顶、蔬菜大棚上作为发电产能设备还有美化效果。 第一个登场的有机太阳能电池是肖特基结构（电极/有机染料/电极）器件，遗憾的是有机材料内库仑力大，激子解离成光生载流子的过程难以有效实现，即限制了光生自由载流子的数量，光电性能表现的很差。 1986年邓博士将无机PN结概念类推到有机器件中，制备出接近1%效率的有机异质结太阳能电池33。 随后几年内，电子从共轭聚合物传递至富勒烯小分子的速度极快的现象被Heeger研究室公布于众，削弱了激子复合，提高了光生载流子数量，并且基于此项研究结果获得了光电转化效率为2.99%的聚合物电池34,35。 步入20世纪，有机光伏的研究深入到能级理论，针对能级缺陷提出在器件中装饰氟化锂等电极修饰缓冲层，进一步完善器件结构以提高性能。 除了材料和能级方面的设计升级，器件结构的新创意对于电池效率的突破也是功不可没4的。 Kim和Lee小组利用吸光互补的有机活性层，合理拓宽了光谱的利用范围，纳米钛氧化物作为衔接层，如图1.3（a）所示，200mW/cm2光辐照时构造全溶液叠层的器件体系首次获得突破6%的光电效率36，这是鼓舞人心的结果。 随后的大量的工作集中在设计适合叠层结构的应用的窄带隙有机材料，如Yang团队设计的PDTP-DFBT材料与P3HT分别对650900nm光谱范围和300-650nm光谱范围具有响应，响应光谱互补，光谱利用范围增强，最终实现了国家可再生实验室NREL认证的10.6%效率，电池结构与J-V特性曲线如图1.3（b）所示37。 随后十年内，基于富勒烯体系的有机光伏电池系统一直占据研究的焦点，硕果累累，效率不断刷新纪录。 一方面从各种理论模型着手，从物理层面分析器件内电场、电势、光场、陷阱态、势垒等一系列因素在载流子的产生、迁移、复合机制中扮演的角色，进而为材料设计、膜厚、各功能层的设计提供理论依据。 图1.3（a）级联电池器件结构；（b）活性层光吸收；（c）光吸收互补叠层器件的NREL认证I-V特性37另一方面从器件实体着手的研究也渗透各个方面包括发展材料、薄膜形貌控制（退火、添加剂等）、电极优化、电极的修饰研发、稳定性与寿命的提升等。 经过各个研究团队无数夜以继日的探索，使得有机光伏器件的效率纷纷突破10%的商业化达标线，取得了一个个里程碑的佳绩。 最新叠层电池的效率纪录由我国南开大学陈教授课题组刷新，他们设计的活性叠层对可见光波段300nm附近和600-1000nm范围内都有明显的利用，溶液法制作的器件实现17.3%的验证效率且具有较好的稳定性，对实现商业化起到了切实的推动作用38。 值得一提的是，“稠环电子受体”的理念由我国北大肖教授课题组提出，非富勒烯体系的受体材料ITIC的问世，弥补了最低未占据分子轨道（LUMO）能量低的传统富勒烯受体材料的短板，再次掀起了科研界的一股浪潮。 它们可以通过修饰改性调节吸光范5围以及设计能级匹配的材料结构，实现高短路电流(J sc)保持的情况下同实现高开路电压（V oc），有望实现更优异的性能从而发展迅速39-41。 针对非富勒烯类受体的低电子迁移率的壁垒，我国中南大学邹教授研究小组，在多个科研团队协力下，通过利用高迁移率的缺电子结构修饰非富勒烯分子设计合成窄带隙受体分子，同时实现光学吸收性能和电学载流子转移能力双线的提高，以PM6:Y6为有机光敏层的电池体系创造了目前单结有机光伏器件的效率纪录，无论正式反式结构的都有15%左右的稳定效率，并且基于该活性层体系的效率受到膜厚波动的影响并不大，如图1.4，对实现大规模产业化的制备创造了极大的便利42。 图1.4（A）不同膜厚电池的电流-电压曲线；（B）不同膜厚电池的外量子效率曲线；（C）PM6:Y6分子结构和性能参数42染料敏化电池作为一种新型的光电转换器件，以造价低廉兼顾效率的优势同样吸引研究团队的眼球，目前的顶尖成果中，模拟光照下也可以实现13%的效率43,44。 器件的光阳极通常是在导电基底上烧结的纳米晶半导体多孔膜，如纳米氧化锌（Nano-ZnO），纳米二氧化钛（Nano-TiO2）等，作为器件最关键的组分的染料分子就吸附于多孔纳米膜上，以捕捉光子能量从而启动电池的工作。 对电极通常采用高催化活性的铂（Pt）贵金属，但是也正因为高昂的价钱造成了劣势。 碳材料的复合电极以广、质量轻和导电性好等优势更受欢迎。 尽管碳材料构造的电极本身稳定性和器件效率都可以媲美Pt电极，可是仍有与导电基底附着能力差的制约，具有很大的探索空间。 此外，高效的电池多使用液态电解液的电池由于电解液容易挥发器件的稳定性差，封装难度大，即使是添加凝胶剂制成准固态依然难以克服这些缺点。 全固态的电解质则不存在上述问题，更加符合实用化的要求，但想要实现高的光电效率仍需要解决其导电性差，空穴电荷迁移输运迟缓的劣势。 对于第三代新兴光伏器件，不得不提的是钙钛矿（perovskite）薄膜太阳能6电池，即以有机无机钙钛矿ABO3(A=甲胺基(CH3NH3),B=较大原子尺寸的金属离子Pb2+或Sn2+，O=氯、溴、碘等卤素阴离子或其组会)体系的材料为捕光活性层制作的器件。 它的带隙通常非常窄，在光谱550nm左右消光系数高，差不多为有机染料MEC的三倍，几百纳米厚薄膜就可以充分吸收阳光的优势，除可见光外对红外及近红外波长的光子能量也可以充分利用，在提高光电性能上极具潜力,晶体结构如图1.5所示45-50。 图1.6展示了钙钛矿材料的阳离子差异导致的能级结构变化示意。 独特的晶体结构，使钙钛矿材料具有较高且均衡的电子空穴传输水平，有效的载流子扩散距离也比传统有机材料高了 一、二个量级，从而减少光生载流子的复合造成的能量折损。 钙钛矿晶型材料产生WannierMott模式的激子，相比传统有机半导体异质结内部产生的光激子解离的解离能更小，解离成自由的光电荷的难度降低很多，而且其本身既可以传递电子又可以传递空穴，性能优越，作为一匹黑马，基于钙钛矿材料的器件自09年问世至今以来各界对其研究热情从未有所减弱51-55。 图1.5钙钛矿晶体结构示意图46图1.6钙钛矿电池能级示意图Miyasaka等人将钙钛矿材料首次引入染料敏化光伏器件中并获得3.8%的光7电效率，至此开启了钙钛矿电池研究领域的大门56。 随着越来越多的科研团队的全力探索开发，钙钛矿效率的提高进展飞快突破10%。 在xx年，科学家Gratzel和Snaith团队分别采用两步沉积工艺和双源共蒸发工艺，如图1.7所示，先后实现15%以上的钙钛矿光伏器件的光电效率57。 图1.7（a）采用真空双源共蒸法制备钙钛矿薄膜示意图；(b)薄膜SEM表征；(c)溶液法制备的薄膜SEM表征57近两年，钙钛矿光伏器件的性能更是激增，接二连三的打破效率纪录。 xx年，经Newport认证的韩国Seok小组在的小面积钙钛矿太阳能电池效率为22.7%，该效率已经超Fraunhofer-ISE认证的效率为22.3%的多晶硅光伏电池58。 他们还设计了通过改变卤素原子在钙钛矿材料中的含量即Br:I的比例，实现具有不同吸收带的光活性层钙钛矿晶体材料，制备了薄膜色彩可调节的光伏元件。 我国也有大批的研究者致力于开发探索钙钛矿器件，并处于世界领先队伍中。 极端光学创新研究团队的龚院士等人展开的研究，首创了“胍盐辅助二次生长”科学方法，可以控制perovskite晶体的半导体特性可通过新颖的方法得到调节和控制，得到低带隙（1.6eV）的晶体，在保证高光电流和填充因子的性能条件下的，有效的提升了器件开路电压的输出，因此创造了实验室条件下，反式钙钛矿光伏器件的21.5%的性能效率。 如图1.8所示，正偏压为2V时器件的发光，意味着表明电池器件的非辐射复合能量损失是非常低的。 经中国计量科学研究院认证，创下了反式器件的20.90%光电转换效率的新纪录59。 8图1.8制备的反型结构钙钛矿太阳能电池及电池器件在2V正偏压下发光的图像59不得不说的是，我国由三位年轻海归博士创立的纤纳光电科技创新公司，在xx年公司对外宣布其经过认证的由多结电池串联钙钛矿微组件的能量效率已经过认证突破17.4%，在全球范围内的商业化新型钙钛矿型薄膜太阳能公司中，无论技术还是工艺方面都颇具竞争实力。 硅和钙钛矿的电池单元“串联”组合形成杂化光伏组件可以实现比传统独立的电池提供更多的电能输出。 瑞士的科研团队，通过平整硅基底表面实现理想的钙钛矿薄膜的沉积最终制备了的太阳能电池能量效率超过了25。 尽管器件的稳定性不如人意，无机和钙钛矿杂化器件仍有很多方面需要探索，但这项振奋人心的成果也进一步推进了实现光伏器件为主流能源装备的目标。 客观的说在实验室条件下制备的钙钛矿光伏器件的效率性能可以超过20%以上，推广到进行工业化产业化的批量的生产中，器件的效率会显著降低到10以下，随着光伏组件工作时间的增加，其性能最终会不断因为电池材料与所在工作环境的水分、光照和温度而衰减因此稳定性、重复性和可靠性还需更深度的开发和验证，此外工艺的亦需要进一步简化优化。 高效率的钙钛矿器件还有一个弊端是活性层不可避免的含大量铅，有毒有害的铅元素势必对生态环境产生破坏，利用危害更小的原料，实现无铅化器件才是长久之计。 1.3有机光伏电池的器件结构正如太阳能电池发展历史所展示的，器件结构的发展对电池性能具有极其重要的地位。 有机光伏电池主要组成部分普遍包括阴阳电极，电荷选择功能层，与最主要的吸光物质活性材料。 大致可以将器件分为如下四种类型 （1）单层肖特基模型； （2）双层异质结模型； （3）单层体异质结模型； （4）叠层互补模型器件。 各自模型的示意图如图1.9所示60-65。 9 （1）单层肖特基（schottly）模型结构最初的器件结构最为简单的有机材料作为活性吸收（Active layer）层，宛如三明治的夹心，夹在具有不同功函数的两电极（Electrode）之间，形成EAE的构造亦成为肖特基模型。 器件的光电性能电流电压输出特性与肖特基二极管的测试曲线趋势吻合。 功函数不同的两电极之间，或有机吸光层与电极之间的内建电场作用下，使得光生激子分离成自由电子空穴载流子，进而电子扫向阴极，空穴扫向阳极，产生输出电流。 因为激子的有效扩散距离在有机活性材料中通常为1-10纳米，而肖特基势垒的仅存在几纳米的范围不足以使激子解离成为自由的电荷载流子，所以该种结构的器件的性能能量转换效率非常的不尽人意。 （2）双层异质结模型引入给体（Donor）与受体（Aeptor）两种概念，即由D材料与A材料双层共同组成吸光层。 给体在吸收特定能量的光子后激发，电子从最高电子占据轨道（HOMO）能级跳跃至LUMO，并在原有位置留下空穴，但是有机给体中强大的库仑力使电子空穴依旧相互束缚着，我们看做激子（电子-空穴对，Eletron-Hole pair），E-H对由给体层扩散到受体层的交界处以后才会在能级差的作用下解离，进而成为自由载流子，电子传送至受体进而转移至阴极而收集，空穴则留在给体中再被阳极所抽取。 虽然这种构造的器件比最初的器件结构，激子分离的机会增多了，但是解离过程也仅仅发生在给体层与受体层交界面，由于激子扩散距离的限制，活性层的利用也不够充分，传输过程中的的复合也很严重，短路电流因此也很低，器件的性能表现虽然略有提高但还是很差。 （3）体异质结（Bulk Heterojunction，BHJ）模型为了从根本上解决双层异质结依然未能弊端，即激子寿命与扩散距离的矛盾和解离界面的局限性，体异质结的概念被科学家Heeger等人所报道，便成为了有机太阳能器件的最常见最广泛采用的结构。 BHJ模型是给体与受体材料同时在一层薄膜中，混合而成的吸光层，同时微观尺度角度来说给体与受体在吸光层内部形成足够多的使激子能够解离成为自由的电子与空穴电荷的微异质界面，在活性吸光层内部就有两种正负电荷载流子各自的转移传输路径，电子和空穴在独立后可以迅速迁移向各自电极。 这种模型的电池器件内部光生载流子的复合在传输过程中就会显著减少，激子分离界面遍及光敏层内部，使得整个光敏层都可以充分的利用实现吸收光能量，体异质结内部以及边界的形貌分布对活性层性能有着重要的意义，体异质结10模型在提高有机光伏器件光电效率具有着决定性的意义，也是至今依旧延续使用的经典模型。 （4）叠层互补模型器件单独的某一活性层材料的吸收峰集中在特定太阳光波长周围，造成了广谱的很大一部分浪费，为了更高的光电转换效率，就考虑用两种或是几种具有不同带隙宽度的光吸收峰互补的材料（通常为宽带隙的吸收峰在可见光波段的材料与稍窄带隙的吸收峰在近红外红外波段的有机半导体）作为光敏层，能够捕获更多的不同能量的光子，吸收能量激发更多数量的激子，从而实现光能转化能力的充分开发。 将吸光互补的两种体异质结串联，中间隔以具有恰当能级的有机或无机的衔接层构成叠层模型的电池器件。 最理想的条件下，器件的电压电流的输出符合串联电路的原则，即短路