有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)與性能提升課件

OrganicSolarCells:

Devicearchitectures,WorkingprinciplesandPerformanceimprovementOrganicSolarCells:1有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)與性能提升課件2

WhyOPV?WhyOPV?3Anode(Al/Ag)ConjugatedpolymerTransparentcathode1.DevicearchitecturesSinglelayer(Schottky–type)Anode(Al/Ag)1.Devicearchite4Anode(Al/Ag)AcceptorDonorTransparentcathodeBi-layer(Planarheter-ojunction-PHJtype)2009年4月26日《naturephotonics》上的高效單結(jié)電池Anode(Al/Ag)Bi-layer5有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)與性能提升課件6D-Ablendinglayer(Bulkheterojunction–BHJdevice)AnodeDonor:AcceptorTransparentcathode理想結(jié)構(gòu)Deadend

D-AblendingAnode理想結(jié)構(gòu)Deaden7AnodeAcceptorDonor:AcceptorDonorTransparentcathodeD-D:A-Alayer(Hybridbulkheterojunction–HHJdevice)AnodeD-D:A-A8PINtype

AndoeNtypeDonorAcceptorPtypeTransparentcathodePINtypeAndoeNtypeDonorAc9TandemPolymerSolarCells2007年<<science>>,6.5%.采用倒型結(jié)構(gòu)，窄能隙結(jié)構(gòu)單元作為第一層。器件最大的特色是在子電池結(jié)構(gòu)單元之間使用了溶膠法制備的透明TiOx作為光隔離層和連接層TandemPolymerSolarCells20010

疊層太陽電池的開路電壓一般大于子單元（理想情況下，等于子單元開路電壓之和），總電流決定于電流較小的子單元，其轉(zhuǎn)換效率主要受光生電流的限制,設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是合理地選擇各子電池的能隙寬度和厚度以及優(yōu)良的連接層以保證子電池之間的歐姆接觸。疊層太陽電池的開路電壓一般大于子單元（理11TandeminvertedPolymerSolarCells

2012年，楊陽研究組的達(dá)到10.6%TandeminvertedPolymerSolar12Organic/InorganichybridSolarCellsOrganic/InorganichybridSo13

2.1光子捕獲吸收---激子產(chǎn)生2.2能量傳輸與轉(zhuǎn)移---激子擴(kuò)散2.3電荷的轉(zhuǎn)移和分離---激子解離2.4載流子的輸運(yùn)和收集2.Workingprinciples2.Workingprinciples142.0Exciton?Wannierexciton?Charge-transferexciton?Frenkelexciton導(dǎo)帶價(jià)帶激子能級(jí)n=1n=2n=32.0Exciton?Wannierexciton15Wannierexciton(typicalofinorganicsemiconductors)SEMICONDUCTORPICTUREGROUNDSTATEWANNIEREXCITONbindingenergy~10meVradius~100?Frenkelexciton(typicaloforganicmaterials)MOLECULARPICTUREGROUNDSTATEFRENKELEXCITONbindingenergy~1eVradius~10?WannierexcitonSEMICONDUCTORP16AlEnergy/eVITOAleVacuumEnergyDonorAcceptorφmφmADIDAlEnergy/eVITOAleVacuumEn17

2.1.光子捕獲吸收---激子產(chǎn)生

在有機(jī)物中，

分子吸收光子之后，電子將從HOMO躍遷到LUMO上，而在HOMO上留下空穴，這束縛的電子和空穴對(duì)即為激子。LUMOHOMOlightAlITO2.1.光子捕獲吸收---激子產(chǎn)生LUMOHOMOl182.2能量傳輸和轉(zhuǎn)移---激子擴(kuò)散/輸運(yùn)

由于有機(jī)分子之間的作用力很小，材料的HOMO與LUMO是不連續(xù)的，電子和空穴的傳輸是跳躍式的，擴(kuò)散長(zhǎng)度Ld約5~20nm

激子在有機(jī)質(zhì)中是通過能量傳遞的方式進(jìn)行輸運(yùn)的：

Foster能量轉(zhuǎn)移Dexter能量轉(zhuǎn)移2.2能量傳輸和轉(zhuǎn)移---激子擴(kuò)散/輸運(yùn)19AlITOLUMOHOMO分子內(nèi)傳輸D*1D2D*2D1

偶極-偶極能量轉(zhuǎn)移(分子間Foster能量轉(zhuǎn)移)：將激子視為偶極子，它與其他偶極子之間存在相互作用。激子偶極子的振動(dòng)將引起臨近分子的振動(dòng)，以此可以將激子的能量傳遞給臨近分子AlITOLUMOHOMO分子內(nèi)傳輸D*120D*1D2D*2D1

電子交換能量轉(zhuǎn)移（Dexter能量轉(zhuǎn)移)：激子中的電子本身也可以由激發(fā)態(tài)的分子躍遷到鄰近的基態(tài)分子的最低空軌道上，與此同時(shí)，空穴也躍遷到同一基態(tài)分子的最高占據(jù)軌道上，以平衡電荷

D*1D2D*2D1212.3.電荷的轉(zhuǎn)移和分離---激子解離

有機(jī)材料中激子束縛能較大，室溫下的熱能不足以將光生激子解離為自由電荷。同時(shí)激子的壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度（5~20nm）都比較的短，這限制了活性層的厚度。通常情況下，有機(jī)光伏器件需要一個(gè)有效的解離機(jī)制來解離激子，即給體/受體界面。

D*AA*D2.3.電荷的轉(zhuǎn)移和分離---激子解離有機(jī)材22

激子在給體/受體界面完成光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移后，發(fā)生電荷分離，成為自由電荷：空穴在給體中，電子在受體中。它們必須在有機(jī)層中傳輸至各自的電極才能被收集。有機(jī)材料的定域性使得電荷通過跳躍模式（hopping)或者擴(kuò)散作用（diffusion）進(jìn)行傳輸，最終到達(dá)電極并被收集而產(chǎn)生光電流。

自由電荷向電極傳輸?shù)膬煞N驅(qū)動(dòng)力：

內(nèi)部漸變電場(chǎng)——遷移運(yùn)動(dòng)自由電荷的濃度梯度——擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)2.4.載流子的輸運(yùn)和收集激子在給體/受體界面完成光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移后，23

對(duì)于體相異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，由于給體與給體分子之間或者受體與受體之間將可能存在一定距離，這將會(huì)使空穴在給體或者電子在受體中通過遷移和擴(kuò)散進(jìn)行的輸運(yùn)出現(xiàn)不連續(xù)的情況，載流子的輸運(yùn)需要借助逾滲作用（percolation）進(jìn)行。

在電極接觸面處，給體的HOMO與ITO功函數(shù)以及受體的LUMO與金屬功函數(shù)的應(yīng)匹配，

以實(shí)現(xiàn)歐姆接觸，避免電極處的電荷收集損失

。

在電極接觸面24Schematicandenergydiagramofatypicalpolymersolarcellanditsoperatione-h+

Anode

Cathode

Donor

AcceptorExcitonformationExcitondiffusionExcitondissociationCarriertransportChargecollectionOrganicSolarCellSchematicandenergydiagramo253.Performanceimprovement光學(xué)：增加光吸收（陽極陷光結(jié)構(gòu)，薄膜干涉效應(yīng)，金屬納米粒子表面等離激元，光譜裝換）電學(xué)：利于載流子輸運(yùn)（活性層形貌控制，界面能級(jí)調(diào)整等）3.Performanceimprovement光學(xué)：增加26

退火處理

載流子的傳輸對(duì)材料的形貌，顆粒的大小較為敏感。退火的應(yīng)用使得材料進(jìn)行重新的組織形成一定的晶態(tài)和良好的雙聯(lián)通結(jié)構(gòu)，自組裝程度高，薄膜結(jié)晶度和形貌好，從而改善遷移率，改進(jìn)器件性能。

溫度

時(shí)間

溶劑退火

退27

成膜工藝

有機(jī)器件一般采用真空蒸鍍的方式來沉積薄膜，當(dāng)然對(duì)于大分子最常用的是旋涂。

成分比例

厚度

溶劑

成膜工藝28

器件結(jié)構(gòu)的界面修飾

電極修飾的目的是使其功函數(shù)與給體材料的HOMO或受體材料的LUMO相匹配，以提高電荷抽取/注入效率，阻擋激子和非收集載流子的傳輸。ITO光陽極的處理:

氧等離子體處理，旋涂PEDOT:PSS,金納米顆粒薄膜修飾等。

較為常見的陰極修飾：