有机太阳能电池结构和性能的描述及富勒烯类材料在其中的应用

　　有机太阳能电池工作原理有机太阳能电池利用光伏效应实现光电转变。如图 1 所示，其产生光伏效应的过程如下：当能量大于 HOMO-LUMO 能隙的光子照射时，给体分子将会从基态跃迁，形成激子。中性的给体激子经过扩散到达给体和受体界面，界面附近的给体激子通过内建电场作用，克服激子中电子空穴对之间的束缚力，电子由给体 LUMO 能级移到受体 LUMO 能级，形成电荷转移。然后，电子空穴对克服库仑力，解离为定域的自由电荷，即载流子；正负载流子经过运输分别到达阳极和阴极，被电极收集形成电流。有机太阳能电池的阴极通常采用低功函数金属材料，使得该功函数和电子运输层的电子亲和势匹配，降低电子注入势垒，提高电子注入效率。相反，由于阳极的费米能级与有机层的费米能级相差较大，空穴注入效率很低，必须采用高功函数金属，通常使用半导体金属氧化物、ITO （氧化铟锡）等作为阳极。

　　2 有机太阳能电池性能表征表征有机太阳能电池性能的参数有电池的开路电压 Voc、短路电流 Isc、填充因子 FF 以及电池的能量转换效率 η。开路电压是在外电路开路的情况下阴阳两极之间的电压。体异质结结构聚合物与富勒烯有机太阳能电池的 Voc通常与给体 HOMO 能级和受体 LUMO 能级之间的差值密切相关。短路电流是在外电路短路的情况下通过器件的电流，Isc 的大小与内电场强度 E 和电荷迁移率 μ 以及内电阻 R 有关； FF 是衡量电池外接负载能力的物理量。而电池的能量转换效率 η 可以用外量子效率，内量子效率和器件的总转换效率表示，最终表征器件性能的优劣。 3 有机太阳能电池结构有机太阳能电池结构对电池性能的影响至关重要。按照器件结构分类，有机太阳能电池可分为单质结、染料敏化和异质结等几种。而异质结电池又包括 p-n 异质结、体异质结、混合异质结和叠层结构等种类。 3.1 倒置结构太阳能电池近年来，研究人员基于本体异质结器件，设计制作了倒置（反型）结构（inverted structure）器件，使电池的能量转换效率和稳定性能有所提高。其结构如图 2 所示，（a）为传统的电池器件，（b）为倒置结构器件。倒置结构器件是通过对换传统电池阴阳两极极性制作的半导体器件，电池的阴极由高功函数金属充当，但是电极必须进行修饰。通常利用半导体氧化物（例如 ZnO）和碱金属碳酸盐（Cs2CO3）等材料修饰阴极，利用新材料 V2O 和 MoO3 修饰阳极，制作的电池在空气中的稳定性有了很大的提高。同时，考虑到电荷的有效传输和抽取，在靠近阳极区域的活性层形成聚合物组分的富集区，靠近阴极区域的活性层形成富勒烯组分的富集区将是较为理想的状态。倒置结构的推出很好地利用了这种相分离的现象，其性能达到了可以和传统结构器件相媲美的水平。近年来，研究人员通过采用倒置结构并对阴极修饰层作各种纳米形态处理提高了器件的稳定性、使用寿命以及能量转换效率［1］。基于倒置结构的叠层结构器件通过各子单元不同材料对太阳光谱的差别吸收，可以增加器件对光的吸收效率，使电池的光电转换效率得到提升。