有機太陽能電池結構和性能的描述及富勒烯類材料在其中的應用

　　有機太陽能電池工作原理有機太陽能電池利用光伏效應實現光電轉變。如圖 1 所示，其產生光伏效應的過程如下：當能量大于 HOMO-LUMO 能隙的光子照射時，給體分子將會從基態(tài)躍遷，形成激子。中性的給體激子經過擴散到達給體和受體界面，界面附近的給體激子通過內建電場作用，克服激子中電子空穴對之間的束縛力，電子由給體 LUMO 能級移到受體 LUMO 能級，形成電荷轉移。然后，電子空穴對克服庫侖力，解離為定域的自由電荷，即載流子；正負載流子經過運輸分別到達陽極和陰極，被電極收集形成電流。有機太陽能電池的陰極通常采用低功函數金屬材料，使得該功函數和電子運輸層的電子親和勢匹配，降低電子注入勢壘，提高電子注入效率。相反，由于陽極的費米能級與有機層的費米能級相差較大，空穴注入效率很低，必須采用高功函數金屬，通常使用半導體金屬氧化物、ITO （氧化銦錫）等作為陽極。

　　2 有機太陽能電池性能表征表征有機太陽能電池性能的參數有電池的開路電壓 Voc、短路電流 Isc、填充因子 FF 以及電池的能量轉換效率 η。開路電壓是在外電路開路的情況下陰陽兩極之間的電壓。體異質結結構聚合物與富勒烯有機太陽能電池的 Voc通常與給體 HOMO 能級和受體 LUMO 能級之間的差值密切相關。短路電流是在外電路短路的情況下通過器件的電流，Isc 的大小與內電場強度 E 和電荷遷移率 μ 以及內電阻 R 有關； FF 是衡量電池外接負載能力的物理量。而電池的能量轉換效率 η 可以用外量子效率，內量子效率和器件的總轉換效率表示，最終表征器件性能的優(yōu)劣。 3 有機太陽能電池結構有機太陽能電池結構對電池性能的影響至關重要。按照器件結構分類，有機太陽能電池可分為單質結、染料敏化和異質結等幾種。而異質結電池又包括 p-n 異質結、體異質結、混合異質結和疊層結構等種類。 3.1 倒置結構太陽能電池近年來，研究人員基于本體異質結器件，設計制作了倒置（反型）結構（inverted structure）器件，使電池的能量轉換效率和穩(wěn)定性能有所提高。其結構如圖 2 所示，（a）為傳統的電池器件，（b）為倒置結構器件。倒置結構器件是通過對換傳統電池陰陽兩極極性制作的半導體器件，電池的陰極由高功函數金屬充當，但是電極必須進行修飾。通常利用半導體氧化物（例如 ZnO）和堿金屬碳酸鹽（Cs2CO3）等材料修飾陰極，利用新材料 V2O 和 MoO3 修飾陽極，制作的電池在空氣中的穩(wěn)定性有了很大的提高。同時，考慮到電荷的有效傳輸和抽取，在靠近陽極區(qū)域的活性層形成聚合物組分的富集區(qū)，靠近陰極區(qū)域的活性層形成富勒烯組分的富集區(qū)將是較為理想的狀態(tài)。倒置結構的推出很好地利用了這種相分離的現象，其性能達到了可以和傳統結構器件相媲美的水平。近年來，研究人員通過采用倒置結構并對陰極修飾層作各種納米形態(tài)處理提高了器件的穩(wěn)定性、使用壽命以及能量轉換效率［1］?；诘怪媒Y構的疊層結構器件通過各子單元不同材料對太陽光譜的差別吸收，可以增加器件對光的吸收效率，使電池的光電轉換效率得到提升。