關(guān)于有機(jī)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)以及工作原理解析

在生活中，你可能接觸過各種各樣的電子產(chǎn)品，那么你可能并不知道它的一些組成部分，比如它可能含有的有機(jī)太陽(yáng)能電池，那么接下來讓小編帶領(lǐng)大家一起學(xué)習(xí)有機(jī)太陽(yáng)能電池。有機(jī)這個(gè)概念貌似很新，但其實(shí)它的歷史也不短——跟硅基太陽(yáng)能電池的歷史差不多。第一個(gè)硅基太陽(yáng)能電池是貝爾實(shí)驗(yàn)室在1954年制造出來的，它的太陽(yáng)光電轉(zhuǎn)化效率接近6%;而第一個(gè)有機(jī)光電轉(zhuǎn)化器件是由Kearns和Calvin在1958年制備的，其主要材料為鎂酞菁(MgPc)染料，染料層夾在兩個(gè)功函數(shù)不同的電極之間。

有機(jī)太陽(yáng)能電池工作原理

顧名思義，有機(jī)太陽(yáng)能電池是其核心部分由有機(jī)材料組成的太陽(yáng)能電池。主要使用具有光敏性的有機(jī)物作為半導(dǎo)體材料，并通過光伏效應(yīng)產(chǎn)生電壓以形成電流，從而達(dá)到太陽(yáng)能發(fā)電的效果。

在有機(jī)材料中，盡管最高占據(jù)的軌道OMol和最低的空軌道GUM等效于無機(jī)半導(dǎo)體中的價(jià)帶(VB)和導(dǎo)帶G⑴，但有機(jī)材料的HoMO和LUMO能級(jí)是分開的，并且與無機(jī)能級(jí)不同材料。半導(dǎo)體中的連續(xù)能級(jí)VB和CB。因此，有機(jī)材料中的載體被局部化。與無機(jī)半導(dǎo)體材料中半徑較大的萬尼爾激子不同，有機(jī)材料中的激子主要是半徑較小的弗倫克爾激子，電子-空穴對(duì)之間的結(jié)合力大于瓦米爾激子。因此，與在吸收光之后產(chǎn)生自由電子-空穴對(duì)的無機(jī)光伏器件不同，有機(jī)光伏器件在吸收光之后產(chǎn)生流動(dòng)的激發(fā)態(tài)(即，結(jié)合的電子-空穴對(duì))。在激子中，電子-空穴對(duì)之間的庫(kù)侖效應(yīng)相對(duì)較大，有機(jī)物的介電常數(shù)小，因此激子解離所需的能量高于熱運(yùn)動(dòng)的能量。因此，難以使激子在有機(jī)材料中解離，并且不容易形成自由載體。這些特性決定了有機(jī)太陽(yáng)能電池的工作機(jī)理與無機(jī)pn結(jié)光伏器件的工作機(jī)理有很大不同。

可以看出，器件的光電效應(yīng)過程如下(圖4o)：①當(dāng)能量大于HOMOˉLUMO能隙的光子受到輻照時(shí)，供體分子將從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，形成激子;②中性施主激子經(jīng)歷擴(kuò)散，然后到達(dá)施主和受主之間的界面;③界面附近的施主激子借助內(nèi)置的電場(chǎng)克服了激子中電子-空穴對(duì)之間的庫(kù)侖結(jié)合力。然后進(jìn)行從供體轉(zhuǎn)移的電荷轉(zhuǎn)移電子，將LUMO能級(jí)轉(zhuǎn)移到受體LUMO能級(jí)上，形成電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物;④電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物中的電子-空穴對(duì)需要克服在庫(kù)侖結(jié)合力再次分解成局部自由電荷(即陽(yáng)離子載流子)之前，電流載流子和陰離子載流子(圖4③;⑤)負(fù)載的正負(fù)離子通過運(yùn)輸分別到達(dá)陽(yáng)極和陰極，并被電極收集以形成光電流。

有機(jī)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)

有機(jī)太陽(yáng)能電池按照半導(dǎo)體的材料可以分為單質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、P-N異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、染料敏化納米晶結(jié)構(gòu)。

單質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)

單結(jié)結(jié)構(gòu)是基于肖特基勢(shì)壘原理制造的有機(jī)太陽(yáng)能電池。 它的結(jié)構(gòu)是玻璃/金屬電極/染料/金屬電極，它利用兩個(gè)電極的不同功函數(shù)來產(chǎn)生電場(chǎng)。 電子從功函數(shù)低的金屬電極轉(zhuǎn)移到功函數(shù)高的電極以產(chǎn)生光電流。 由于電子和空穴都在相同的材料中傳輸，因此光電轉(zhuǎn)換率相對(duì)較低。

P—N異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)

P-N異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是指具有施主-受主(N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。 其中，半導(dǎo)體材料主要是染料，例如酞菁化合物和per四甲醛亞胺化合物，它們使用D / A界面(施主-施主，受主-受主)和電子層之間的電子-空穴分離。 不同材料的轉(zhuǎn)移特性提高了分離效率。 Elias Stathatos和其他人結(jié)合了無機(jī)和有機(jī)化合物的優(yōu)勢(shì)，制成了光電轉(zhuǎn)換率為5%至6%的太陽(yáng)能電池。

NPC(nanocrystalinephotovoltaiccell)染料敏化納米晶

染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)主要是指一種使用染料敏化多孔納米結(jié)構(gòu)TIO2薄膜作為光陽(yáng)極的太陽(yáng)能電池。 它是模仿植物葉綠素光合作用原理的太陽(yáng)能電池。 但是，NPC太陽(yáng)能電池可以選擇合適的氧化還原電解質(zhì)來提高光電效率，一般可以穩(wěn)定在10%以上，納米晶TIO2易于制備，成本低，使用壽命長(zhǎng)，具有良好的市場(chǎng)前景。

相信通過閱讀上面的內(nèi)容，大家對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池有了初步的了解，同時(shí)也希望大家在學(xué)習(xí)過程中，做好總結(jié)，這樣才能不斷提升自己的設(shè)計(jì)水平。