【《有机太阳能电池基本原理分析》2800字】

有机太阳能电池基本原理分析目录TOC\o"1-3"\h\u12077有机太阳能电池基本原理分析 1230331有机太阳能电池的光电机制 1197682有机太阳能电池的结构 2143993有机太阳能电池的基本参数 42513参考文献 61有机太阳能电池的光电机制无机半导体材料的连续能级导致能级较窄，离域化载流子，吸光产生的Wannier激子几乎形成独立的空穴和电子。有机半导体材料的非连续能级导致能级较宽，吸光产生的Frenkel激子半径小，导致在激发后，不能直接形成空穴和电子。因此，有机太阳能电池中需要电子给体材料和受体材料，激子在其界面处分离为自由电荷，进一步转移并产生光电。如图1.2所示，有机太阳能电池分为以下四个步骤：（1）激子的产生；（2）激子扩散；（3）激子的解离；（4）电荷的传输和收集。图1.2有机太阳能电池的基本原理（1）激子的产生活性层吸收光子的能量后，电子由最高占据轨道（HUMO）跃迁到最低未占据轨道（LUMO），形成库伦力束缚的“电子-空穴”对，即激子。活性层材料对太阳光吸能力和吸收范围显著地影响激子的产生。（2）激子扩散激子产生后需要扩散到给体和受体界面发生解离。一般激子存活的时间极短（小于1fs），激子在活性层中能够迁移的距离只有5‒20nm[28]。未扩散到界面的激子会重新复合或者通过热过程衰退，从而降低器件的电流密度，只有在给受体界面20nm以内产生的激子才能被充分利用。因此活性层的相分离尺寸是影响激子扩散的重要因素。（3）激子的解离激子扩散到给受体界面，形成电荷转移态。由于激子是束缚的电子和空穴对，扩散到给受体界面处的激子需要一定的能量才能克服电荷之间的吸引力才能发生解离。给受体HOMO、LUMO存在的能级差形成的驱动力促进激子的解离。激子解离后，电子跳跃到受体的LUMO能级上，而空穴留在给体的HOMO能级上，从而实现电子和空穴的分离。以前认为能级差要大于0.3eV才能提供足够的驱动力。然而目前已有很多能级差小于0.3eV的报道出现。研究表明这些材料之间存在大的静电势差，诱导产生分子间电场，从而有利于激子解离[29]。（4）电荷的传输和收集激子发生解离后，自由电子沿着受体材料形成的通道向负极移动，空穴则通过给体材料形成的通道向正极移动，从而形成电流。为了让电荷能够尽可能地到达电极，给受体材料需要能够形成互穿网络状结构和有高且平衡的电子和空穴迁移率，确保电荷能高效传输并抑制复合发生。2有机太阳能电池的结构有机太阳能电池按照活性层的组成可以分为以下四类:（1）单节有机太阳能电池；（2）双层异质结有机太阳能电池；（3）本体异质结有机太阳能电池。（1）单层有机太阳能电池如图1.3所示，单层有机太阳能电池，又称肖特基太阳能电池。是最早研究的有机太阳能电池类型。单节有机太阳能电池的活性层是由一层有机半导体材料制备的，有机半导体半导体吸收光子后产生激子。由于共轭聚合物中激子只有大约5‒20nm的扩散长度，光生激子需传输到电极处，在半导体和电极界面发生解离，分离后留在半导体中的自由电荷反方向通过半导体传到对面的电极产生光电流，从而实现了最高约1%的光电转化效率。图1.3单层有机太阳能电池器件结构示意图（2）双层异质结有机太阳能电池如图1.4所示，双层异质结有机太阳能电池的活性层分为给体和受体两层，呈分层排布，该类电池激子在给体/受体（D/A）界面解离。相较于单层电池，此种电池能提高激子分离率，减少电子与空穴的复合，提高器件效率。图1.4双层有机太阳能电池器件结构示意图（3）本体异质结有机太阳能电池如图1.5所示，本体异质结有机太阳能电池是由给体和受体混合溶液涂膜制作成的具有纳米尺寸D/A互穿网络结构的电池。与双层有机太阳能电池对比，其有着巨大的优点：活性层中都布满了D/A异质结界面，给体和受体接触面积大大增加，减少了激子扩散距离和提升激子解离效率。同时本体异质结有机太阳能电池通过溶液法制备而成，具有操作简单，成本低等优点。至今为止，这类电池有机太阳能电池的只要研究方向，光电转化效率已经超过18%。图1.5本体异质结有机太阳能电池器件结构示意图如图1.6所示，根据有机太阳能电池活性层的数量又可以分为单层器件和叠层器件。叠层有机太阳能电池由两个及两个以上吸收互补的子电池堆叠组成。2006年，Boer[30]课题组首次制备了叠层有机太阳能电池。叠层太阳能电池能够有效扩大光吸收范围，增加电池的开路电压。叠层器件对材料的要求较为严苛，制备工艺较为复杂。图1.6叠层有机太阳能电池器件结构示意图3有机太阳能电池的基本参数如图1.7所示，有机太阳能电池的基本性能由以下五个参数表示：（1）开路电压（Voc）；（2）短路电流密度（Jsc）；（3）填充因子（FF）；（4）光电转换效率（PCE）；（5）外量子效率（EQE）。图1.7有机太阳能电池的J-V曲线图（1）开路电压（Voc）有机太阳能电池的开路电压是指电池断路状态下输出电流为零时，有机太阳能电池两端的输出电压。单位为V。开路电压主要取决于给体HOMO能级和受体LUMO能级的差值。一般而言，能极差越大，开路电压越大[31]。除此之外，开路电压也与光照强度、活性层形貌有关。（2）短路电流密度（Jsc）有机太阳能电池的短路电流是指电池短路状态下输出电压为零时，太阳能电池的电流密度大小。单位为Acm-2或mAcm-2。影响短路电流大小因素很多。其中主要与给受体吸光系数、活性层载流子迁移率大小与平衡、活性层形貌有关。（3）填充因子（FF）有机太阳能电池的填充因子（FF）是指最大输出功率与短路电流密度和开路电压的乘积的比值。是衡量电池器件性能优劣的重要参数。填充因子的影响因子较为复杂，主要与活性层形貌有关。其计算公式如下:FF=（4）光电转换效率（PCE）有机太阳能电池的光电转换效率（PCE）是指电池将入射的光能转化为电能的能力，定义为最大输出功率（Pmax）与入射光功率（Pin）的比值。计算公式如下:PCE=从公式可知光电转换效率与电池开路电压，短路电流密度、填充因子的大小有关。（5）外量子效率（EQE）有机太阳能电池的外量子效率（EQE）是指在电池两电极收集的电子数与入射光的光子数的比值。EQE值的大小说明了活性层材料对不同波长光的响应能力。其计算公式如下:EQEλ为入射光波长，Ne代表输出电子数目，Np代表入射光子数目，Isc为输出电流，Pin代表入射光功率，h为普朗克常量，c为光速，q为元电荷。参考文献[1]Yu,Z.P.,Liu,Z.X.,Chen,F.X.,Qin,R.,Lau,T.K.,Yin,J.L.,Kong,X.Q.,Lu,X.H.,Shi,M.M.,Li,C.Z.andChen,H.Z.SimpleNon-FusedElectronAcceptorsforEfficientandStableOrganicSolarCells[J].NatureCommunications,2019,10,2152.[2]Yao,Z.H.,Li,Y.K.,Li,S.X.,Xiang,J.,Xia,X.X.,Lu,X.H.,Shi,M.M.andChen,H.Z.ConformationLockingofSimpleNon-fusedElectronAcceptorsViaMultipleIntramolecularNoncovalentBondstoImprovethePerformancesofOrganicSolarCells[J].ACSAppliedEnergyMaterials,2020,4(1):819-827.[3]Huang,H.,Guo,Q.X.,Feng,S.Y.,Zhang,C.,Bi,Z.Z.,Xue,W.Y.,Yang,J.J.,Song,J.S.,Li,C.,Xu,X.H.,Tang,Z.J.,Ma,W.andBo,Z.S.NoncovalentlyFused-RingElectronAcceptorswithnear-InfraredAbsorptionforHigh-PerformanceOrganicSolarCells[J].NatureCommunications,2019,10,3038.[4]Dai,P.P.,Zhu,Y.Z.,Liu,Q.L.,Yan,Y.Q.andZheng,J.Y.NovelIndeno[1,2-b]indole-SpirofluoreneDonorBlockforEfficientSensitizersinDye-SensitizedSolarCells[J].DyesandPigments,2020,175,08099.[5]Brebels,J.,Kesters,J.,Defour,M.,Pirotte,G.,VanMele,B.,Manca,J.,Lutsen,L.,Vanderzande,D.andMaes,W.APcpdttpd-BasedNarrowBandgapConjugatedPolyelectrolyteforOrganicSolarCells[J].Polymer,2018,137:303-311.[6]Liang,H.J.,Zhang,X.Y.,Peng,R.X.,Ouyang,X.H.,Liu,Z.Y.,Chen,S.J.andGe,Z.Y.PhotovoltaicPerformanceEnhancementfromDiketopyrrolopyrrole-BasedSolarCellsthroughStructureManipulation[J].DyesandPigments,2015,112:145-153.[7]Monkman,A.P.,Pålsson,L.O.,Higgins,R.W.T.,Wang,C.,Bryce,M.R.,Batsanov,A.S.andHoward,J.A.