有机太阳能电池工作原理_有机太阳能电池的结构

　　有机太阳能电池工作原理

　　有机太阳能电池，顾名思义，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。主要是以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，以光伏效应而产生电压形成电流， 实现太阳能发电的效果。

　　在有机材料中，虽然最高占据轨道臼OMol和最低空置轨道GUM⑵分别相当于无机半导体中的价带（VB）和导带G⑴，但是有机材料的HoMO和LUMO能级是分立的，有别于无机半导体中的连续能级ⅤB和CB。因此有机材料中的载流子是定域化的。而且与无机半导体材料中半径较大的Wannier激子不同，有机材料中激子主要是半径较小的Frenkel激子，其电子空穴对之间的结合力大于Wamier激子。因此，与无机光伏器件吸收光后产生自由电子空穴对不同，有机光伏器件在吸收光后，产生流动的激发态（即束缚电子空穴对）。曲于激子中电子空穴对之间库仑作用较大，同时有机物介电常数较小，使激子解离需要的能量高于热运动能量。因此，有机材料中激子解离困难，不易形成自由载流子。这些特性决定了有机太阳能电池的工作机理同无机pn结光伏器件大不相同。

　　图4.7和图4.8为给体/受体组成的有机太阳能电池工作机理示意图。可以看出，器件产生光伏效应的过程如下（图4o：①当能量大于HOMOˉLUMO能隙的光子照射时，给体分子将由基态跃迁至激发态，形成激子;②中性给体激子经过扩散后到达给体与受体界面;③界面附近的给体激子通过界面内建电场的辅助，克服激子中电子空穴对之间的库仑束缚力后，进行电荷转移――电子由给体LUMO能级转移到受体LUMo能级，形成电荷转移复合物;④电荷转移复合物中的电子空穴对需要再次克服库仑束缚力后，才能解离为定域化的自由电荷，即阳离子载流子和阴离子载流子（图4③;⑤正负载流子经过输运分别到达阳极和阴极附近，被电极收集形成光电流。

　　有机太阳能电池的结构

　　有机太阳能电池按照半导体的材料可以分为单质结结构、P-N 异质结结构、染料敏化纳米晶结构。

　　单质结结构

　　单质结结构是以Schotty 势垒为基础原理而制作的有机太阳能电池。其结构为玻璃/金属电极/染料/金属电极，利用了两个电极的功函不同，可以产生一个电场，电子从低功函的金属电极传递到高功函电极从而产生光电流。由于电子—空穴均在同一种材料中传递，所以其光电转化率比较低。

　　P—N 异质结结构

　　P-N 异质结结构是指这种结构具有给体-受体（N 型半导体与P 型半导体）的异质结结构，结构。其中半导体的材料多为染料，如酞菁类化合物、苝四甲醛亚胺类化合物，利用半导体层间的D/A界面（Donor——给体，Acceptor——受体）以及电子—空穴分别在不同的材料中传递的特性，使分离效率提高。Elias Stathatos 等人结合无机以及有机化合物的优点制得的太阳能电池光电转化率在5%~6%。

　　NPC（ nanocrystaline photovoltaic cell）染料敏化纳米晶

　　染料敏化太阳能电池（DSSC）主要是指以染料敏化的多空纳米结构TiO2 薄膜为光阳极的一类太阳能电池。它是仿生植物叶绿素光合作用原理的太阳能电池。而NPC 太阳能电池可选用适当的氧化还原电解质从而使光电效率提高，一般可稳定于10%，并且纳米晶TiO2 制备简便，成本低廉，寿命可观，具有不错的市场前景。
责任编辑：YYX