【《有机太阳能电池的发展研究国内外文献综述》4000字】

-PAGE128--PAGE127-有机太阳能电池的发展研究国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u17445有机太阳能电池的发展研究国内外文献综述 1164191.1有机太阳能电池原理 128351.2有机太阳能电池性能参数 4202161.3有机太阳能电池结构及分类 5125111.3.1肖特基（单层）器件 7285021.3.2双层异质结器件 71551.3.3本体异质结器件 7151651.3.4叠层器件 8694参考文献 8有机太阳能电池原理活性层是有机太阳能电池的核心部分。一般是有机小分子和聚合物薄膜。有机太阳能电池的工作原理分为以下几个过程：（1）在活性层吸收太阳光，给体被激发，电子发生跃迁（从HOMO轨道跃迁到LUMO轨道），形成激子（即强束缚的电子-空穴对，束缚能约0.3eV）。（2）激子由于浓度梯度的作用向给-受体界面扩散。（2）由于给体与受体的能级差，激子在给-受体界面分离为空穴和电子。（3）电子和空穴分别通过给体通道和受体通道向两极转移。（1）激子的形成对于有机材料来说，其共轭结构与半导体性质有着密切的关系。当光照射在给受体材料上时，吸收光子，基态的有机分子被激发为激发。对于有机太阳能电池来说，给体的最高填充轨道（HOMO）与无机材料中的价带相当，而受体的最低未填充空轨道相当于导带。光吸收效率（ηA）往往由材料的光吸收系数决定。光吸收系数一般由有机半导体材料的吸收光谱、吸收系数、光活性层的厚度还有太阳电池体内的光场分布决定。吸收光谱。大多数的有机太阳能器件的吸收范围覆盖全太阳光谱的四分之一。无机材料的光学带隙一般在1.1eV，而大部分有机材料的带隙在2eV以上。与无机材料可以吸收可见-近红外大气窗口的77%的光子相比，有机材料只能吸收30%左右的光子。所以合成窄带宽给体材料，可以使有机材料的短路电流增大。吸收系数。定义为单位液层厚度时的吸收度。在设法扩宽吸收范围的同时，提高材料的吸收系数也是一个重要的研究方向。光活性层的厚度。根据实验证明，按照大部分有机材料的吸收能力，它们的有效吸收厚度应该为500~1000nm。按照理论来讲，现在研究的有机太阳能电池的厚度应该在这个范围内，但在目前所报道的有机太阳能电池的厚度都比较薄，一般都不超过200nm。有机材料的激子扩散长度一般为10~40nm是问题的关键，扩散长度较短意味着有一部分激子会在运输过程中损失或发生衰减。太阳电池体内的光场分布。对于每一个特定的器件来说，在器件内部的光场分布是不同的。在吸收系数和吸收光谱给定时，一般就会通过调整光场分布的方式，达到最大的短路电流（Isc）。激子形成过程对应了光吸收效率（ηA）。（2）激子的扩散激子扩散的主要原因是存在浓度梯度。由于激子在给-受体界面分离或者复合，使得界面处激子的浓度最小，从而形成了浓度梯度。对于双层器件来说，影响给受体厚度的决定性因素是激子的扩散长度。在之前提到的有机材料的激子扩散长度较短，所以人们提出了本体异质结电池结构来解决这一问题。通过将给受体材料物理共混的方式，减小激子扩散距离，提高了扩散效率。在相分离理想的本体异质结电池中，激子扩散效率几乎可以达到100%。但是激子在扩散时会发生损失或者复合，所以现实中激子扩散效率会低于100%。而扩散效率会受到激子寿命、扩散长度等的影响。激子扩散过程对应了激子扩散效率（ηED）。（3）激子的解离激子解离受到激子自身的束缚能（0.3-1.0eV）和内建电场的影响。一般来说，束缚能越小，激子解离就越容易，分离效率就越高。有机材料是由分子构成，分子内的原子间有强的共价键，所以激子内的结合能比较大，要想将激子分离就需要强电场才能实现较高的分离效率。内建电场为：F=(HOMOD-LUMOA-ΔE)/qdHOMOD为给体的最高填充轨道，LUMOA是受体的最低未填充空轨道；ΔE是指LUMOA与阴极费米能级的能级差和HOMOD与阳极费米能级的能级差之和；q是电荷；d是器件的活性层厚度。激子解离过程对应了解离效率（ηCT）。（4）电荷传输及收集激子分离为电子和空穴。电子通过受体LUMO能级传输到阴极，空穴通过给体的HOMO能级传输到阳极。电子和空穴作为自由载流子，在浓度梯度或者内建电场的作用下，移动到阴阳两极。载流子运动有两种方式，包括扩散和漂移。当电子和空穴向阴阳两极移动时就形成了扩散电流（Idiff）,而漂移电流（Idrift）是在有外电场作用下，载流子在电场的驱动下漂流而形成的。电子和空穴的收集效率和电极-有机材料界面上是不是欧姆接触有关。电荷传输和收集过程对应了载流子收集效率（ηCC）。由有机太阳能电池的工作原理可知，当HOMOD与LUMOA能级匹配、调整内部光场、且实现电极-有机材料界面的欧姆接触时，可以达到一个较高的光电转换效率。图1-2有机太阳能电池工作原理有机太阳能电池性能参数有机太阳能电池的性能参数有以下五个：短路电流密度（Jsc）、开路电压（Voc）、填充因子（FF）、外量子效率（EQE）、光电转换效率（PCE）。图1-3有机太阳能电池的J-V特性曲线。Figure1-3ThetypicalJ-Vcurveoforganicsolarcells.短路电流密度（Jsc）外电压为0时的电流被称为短路电流（Isc）。短路电流越大，光电转换效率越高。而短路电流受到入射光强度和内转换效率的影响。我们常常使用短路电流密度（Jsc）代替。开路电压（Voc）外电流为0时的电压被称为开路电压。开路电压越大，光电转换效率越高。对于有机太阳能电池，开路电压由受体的LUMO能级和给体的HOMO能级决定。填充因子（FF）填充因子被定义为在一定负载下电池最大输出功率值（PMAX）与开路电压（Voc）和短路电流（Isc）乘积的比值。填充因子是衡量电池输出性能的一个重要参数，一般填充因子为0.6-0.75的电池被认为具有实用价值。其表达式：（1-1）光电转换效率（PCE）是由短路电流（Jsc）、开路电压（Voc）、填充因子（FF）这三个参数决定。表达式如下：（1-2）公式中Plight为入射光的功率。外量子效率（EQE）器件的外量子效率（EQE）是四个工作效率的乘积。定义为在某固定光照下吸收光子数与入射光子数的比值。其数学表达式：EQE=η有机太阳能电池结构及分类有机太阳能电池的结构比较简单。主要由阴极、阳极、传输层、活性层组成。阴极一般采用低功函数金属Ag、Al等，阳极采用氧化铟锡（ITO）。低功函数金属和ITO起到收集空穴和电子的作用。传输层一般包括电子传输层和空穴传输层。电极的界面修饰层的作用是降低电极和活性层间的接触势垒（contactbarrier），形成欧姆接触。这个势垒可以直接影响电极的载流子收集效率。这个势垒的存在会降低电池的性能。第一，会让填充因子（FF）和短路电流（ISC）损失，降低了器件的光电转换效率（PCE）。第二，这个势垒会内建电场和开路电压（VOC）。目前，有机光伏器件按照结构可以分为肖特基器件、双层异质结器件、叠层器件以及本文研究的单组分有机太阳能器件等结构。它们之间的区别主要是活性层的结构。图1-4常见的有机太阳能电池器件结构及活性层类型。肖特基（单层）器件肖特基器件又称为单质结有机太阳能器件。该类器件制备工艺简单，在有机太阳能电池发展前期很常见。肖特基单层器件结构为三明治式。有机活性层材料附着在两个电极之间，阴极材料一般为低功函数金属，如Al、Ca；阳极材料一般为ITO或者金属，用于吸收太阳光。肖特基器件分离电荷的驱动力来源于两个电极的HOMO能级和LUMO能级之间形成的肖特基势垒。因为肖特基器件所产生的电流取决于激子扩散，只有当激子扩散至肖特基势垒时才能有可能被解离，肖特基器件的材料仅为一种，吸收范围窄，所以该类器件的光电转换效率比较低，这一缺陷限制了该类器件的发展。为了解决该问题，研究者们又研究出新的器件结构——双层异质结结构。双层异质结器件双层异质结器件的两个电极之间是给体（D）和受体（A）形成的D-A界面层，双层异质结器件分离电荷的驱动力来源于受体LUMO和给体HOMO的能级差，即D-A界面的电子势垒。该类结构的活性层是由给、受体材料堆叠在一起构成的。与单层器件相比，双层异质结器件可以同时提供空穴和电子传输的材料，而且还扩宽了吸收范围，提高了器件的光电转换效率。该类器件的缺陷在于激子扩散长度有限，只有激子扩散到给-受体界面，才能得到有效的分离。所以双层异质结器件的光电转换效率也会受到限制。本体异质结器件本体异质结器件是将给体和受体两种化合物溶解在一种溶剂中，通过旋涂的方式制备吸光层。通过物理共混形成活性层的方式，提升了电荷分离和激子扩散的效率。它与双层异质结器件的共同之处在于都是通过给-受体界面效应转移电荷。本体异质结器件产生电荷分离的区域更大。物理共混的方式增加了给、受体的接触面积，也获得了一定的相分离。所以本体异质结器件成为现阶段研究的主流。本体异质结器件结构又可以分为两种，正向器件和倒置器件。正向器件的电子传输层一般使用LiF或Ca，空穴传输层选用聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）等。倒置器件的电子传输层则采用溶胶-凝胶法制备的ZnO[4]，在倒置器件中，由于（PEDOT:PSS）具有酸性会导致器件不稳定，所以空穴传输层一般选用V2O5、MoO3[5]等金属氧化物。图1-5正向器件和反向器件结构。叠层器件叠层器件是含有多个活性层的器件。多个活性层会增加器件的吸收范围，有效地提高电池的光电转换效率。叠层电池可以看作多个子电池串联在一起，其开路电压（VOC）为每个子电池开路电压之和，而电流是由电流最小的电池决定的。叠层电池克服了肖克利-奎伊瑟效率极限、将太阳光利用地更加充分。不过叠层器件的制备工艺更为复杂，对材料的要求也更高，成本也很高。参考文献[1]KallmannH,PopeM.JChemPhys,1959,30(2):585–586[2]TangCW.ApplPhysLett,1986,48(2):183–185[3]YuG,GaoJ,HummelenJC,etal.PolymerPhotovoltaicCells:EnhancedEfficienciesviaaNetworkofInternalDonor-AcceptorHeterojunctions[J].Science,1995,270(5243):1789.[4]SunY,SeoJH,TakacsCJ,etal.InvertedPolymerSolarCellsIntegratedwithaLow-Temperature-AnnealedSol-Gel-DerivedZnOFilmasanElectronTransportLayer[J].AdvancedMaterials,2011,23(14):1679-1683[5]V.Shrotriya,G.Li,Y.Yao,C.-W.Chu,andY.Yang,“Transitionmetaloxidesasthebufferlayerforpolymerphotovoltaiccells,”AppliedPhysicsLetters,v01.88,no.7,PP.073508,2006.[6]BrahecCJ,CravinoA,MeissnerD,eta1.2001.OriginoftheOpenCircuitVoltageofPlasticSolarCells[J].Adv.Funct.Mater.,l1:374-380．[7]ShaheenSE,BrabecCJ,SariciftciNS,2001.2.5%efficientorganicplasticsolarcells[J].Appl.Phys.Lctt.,78:841.[8]SunYM，SeoJH，TakacsCJ，eta1．2011．InvertedPolymerSolarCellsIntegratedwithaLowTemperature-AnnealedSol-Gel—DerivedZnOFilmasanElectronTransportLayer[J]．Adv．Mater．23：1679．1683．[9]HuangF,WuH,WangD,etal.NovelElectroluminescentConjugatedPolyelectrolytesBasedonPolyfluorene[J].ChemistryofMaterials,2004,16(4):708-716.[10]LiYL,ChengYS,YehPN,eta1.2014.StructureTuningofCrownE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