岑宁光
广东汤浅蓄电池有限公司 广东省佛山市 528300
摘要：社会经济的快速发展，对有机太阳电池的应用带来了新的机遇与挑战，有必要对其结构设计问题展开深入研究与探讨，并采取最优化的实施措施，达到事半功倍的结构设计效果。本文首先概述了相关内容，分析了有机太阳电池的结构和工作原理，并研究了基于有机太阳电池结构的设计。望该课题的研究，对后续相关工作的实践能够起到借鉴与参考作用。
关键词：有机太阳电池；结构；设计；研究
1前言
在有机太阳电池应用工作中，其结构设计是一项综合性较强的系统性工作，如何取得最为理想的效果，保证顺利进行，备受业内人士关注。本文从实际出发，结合相关先进理念，对该课题进行了深入研究，阐述了个人的几点认识。
2概述
经济发展的需求及其所带来的环境之殇使人们越来越认识到绿色可再生能源的潜在价值。有机太阳电池由于潜在的高效率、低成本的制造工艺以及柔性器件等独特的性能，尤其是薄、轻、柔是无机半导体太阳电池不可替代的优点，最近备受行业内和学术界关注。有机太阳电池由于材料种类丰富、可设计性强，有望通过改良材料和结构来提高太阳电池的性能。因此，这类太阳电池具有广阔的发展和应用前景。有机太阳电池的光电转换效率仍然低于无机太阳电池，这主要归因于有机太阳电池器件工作机制更复杂。如激子的产生、扩散、分离以及载流子的输运、收集过程受到有机太阳电池内部各项参数和环境因素的影响，因此有机太阳电池器件参数设计方面尚有许多问题有待进一步研究。数值模拟仿真作为一种有效的理论分析方法，成为研究有机太阳电池性能的重要手段。
3有机太阳电池的结构和工作原理
3.１有机太阳电池的结构
对于有机太阳电池，器件的正电极通常是透明的氧化铟锡（ＩＴＯ）导电玻璃，器件的负极通常为金属Ａｌ，Ｃａ和Ａｇ等，在这两层电极之间夹有聚合物给体和电子受体。典型有机太阳电池器件根据器件结构和活性层的组成不同可大致分为肖特基型单层电池、双层异质结电池、本体混合异质结电池和叠层电池四类。
肖特基型有机太阳电池活性层为单一的共轭聚合物半导体材料，激子在共轭聚合物半导体／电极界面形成肖特基势垒。由于在界面肖特基结上较低的电荷分离效率以及在扩散途中的复合影响，该类器件的短路电流、能量转换效率都非常低（一般低于０．１％）。
双层异质结聚合物太阳电池是在共轭聚合物给体与金属负极之间添加一层受体层。由于激子扩散长度短以及电荷传输速率低，电池的光电转换效率受到激子扩散、载流子传输和电极收集载流子的限制，该类器件的能量转换效率较低（一般不超过１％）。
Ｄ／Ａ本体异质结电池中活性层材料在大多数情况下是由作为供体的多聚物和作为受体的富勒烯衍生物材料共同混合组成。活性层旋涂在导电衬底上为激子制备成为具有给／受体互穿的网络结构。活性层中充满了Ｄ／Ａ异质界面，使激子扩散和电荷分离的效率大大提高。
叠层聚合物太阳电池是由两个或多个电池结构上下相互叠加组成。叠层结构能够加强对太阳光的互补吸收，扩大对太阳光谱的吸收范围，提高电池对太阳光的利用率。
3.２有机太阳电池的工作原理
以本体异质结为例，对有机太阳电池的工作原理展开论述。当光透过电极照射，活性层中的共轭聚合物给体吸收光子（ｈν）产生激子；激子迁移到给／受体界面并分离成载流子（电子和空穴）；分离的电子移动到受体最低未占据分子轨道（ｌｏｗｅｓｔｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄｍｏｌｅｃｕｌａｒｏｒｂｉｔａｌ，ＬＵＭＯ）能级上，空穴停留在聚合物给体的最高已占分子轨道（ｈｉｇｈｅｓｔｏｃｃｕｐｉｅｄｍｏｌｅｃｕｌａｒｏｒｂｉｔａｌ，ＨＯＭＯ）能级上；然后在电池内部势场的作用下，空穴沿着共轭聚合物给体形成的通道传输到正极，而电子沿着受体形成的通道传输到阴极。空穴和电子分别被相应的正极和负极收集形成光电流和光电压。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆综上所述，有机太阳电池工作原理可以分为三部分：①吸收光子，产生激子；②激子扩散并在给／受体界面分离；③电子和空穴输运并被两电极收集。
4基于有机太阳电池结构的设计
4.１载流子迁移率对太阳电池的影响
在有机本体异质结（ＢＨＪ）太阳电池中，由于载流子迁移率影响着电荷分离和输运过程，因此提高电子和空穴的迁移率，将会提升有机太阳电池器件的性能。但迁移率过高，开路电压会随之而降低。
王明聪等人采用数值模拟方法建立体异质结ｐｉｎ型有机太阳电池理论模型，实验研究发现，提高混合层中电子或空穴的迁移率，电池的短路电流和开路电压也都随之增大。朱键卓等人实验模拟“金属－绝缘体－金属”模型发现，在体异质结有机太阳电池中载流子迁移率不仅影响着光生激子的分离，还影响着载流子的输运过程。对于电池性能的影响载流子迁移率存在最佳值，大于最佳值时，短路电流曲线微小上升、开路电压曲线大幅下降；小于最佳值时，光生激子的分离效率随之降低，进而导致短路电流和填充因子明显下降。
在Ｌａｎｇｅｖｉｎ理论中，迁移率与复合有直接关系。Ｗ．Ｔｒｅｓｓ等人通过对几个复合模型和界面接触特性进行扩散漂移模拟，模拟实验研究发现，本体异质结太阳电池器件开路电压由器件复合机制限制，复合过程仅仅取决于载流子迁移率，反之迁移率也存在一个最佳值。Ａ．Ｗａｇｅｎｐｆａｈｌ等人研究了电荷输出和朗之万复合过程对器件电气特性的影响，发现存在最优的迁移率值对应于最高的光电转换效率。Ｊ．Ｔ．Ｓｈｉｅｈ等人研究发现暗电荷载流子在接触点处的复合速率随载流子迁移率的增加而加快，因此引起开路电压的下降。Ｗ．Ｂ．Ｇｕｏ等人根据Ｋｏｓｔｅｒ模型模拟有机本体异质结太阳电池的研究发现，双分子复合和温度影响着自由电荷的生成机制，短路电流由激子分离和载流子复合共同影响，高载流子迁移率将会导致在界面接触层形成较窄的空间电荷层。
4.２活性层厚度对太阳电池的影响
Ｈ．Ｍｏｖｌａ等人通过考虑边界条件和恒定电场建立模型，对基于Ｐ３ＨＴ∶ＰＣＢＭ有机本体异质结太阳电池的电气特性进行了研究，活性层厚度对电池器件中光谱的吸收效率和激子的生成率均有影响。有机活性层厚度太薄会限制对光的吸收，提高本体异质结的厚度，可以明显提高有机电池的短路电流，但由于激子扩散距离的限制，一般情况下，薄膜厚度为３０～２００ｎｍ，这对光的吸收影响不大。Ｇ．Ｂ．Ｓａｍａｈ等人模拟研究了太阳电池光电转换效率随着活性层厚度由７０ｎｍ增加到１７０ｎｍ的改变情况，实验发现ＭＤＭＯ－ＰＰＶ∶ＰＣＢＭ太阳电池和Ｐ３ＨＴ∶ＰＣＢＭ太阳电池的效率优化的活性层最佳厚度为１２０ｎｍ。其原因主要是在恒定偏置电压下，活性层厚度增加，内建电场减小，电荷载流子的漂移变慢，随之激子分离速率变慢，导致载流子的迁移率随着活性层厚度的增加而减小，同时也加重了复合；特别是载流子在较远距离的输运过程中，载流子复合率显著增大，从而导致短路电流密度减小。因此，在有机太阳电池中，活性层厚度对器件性能短路电流密度的影响主要是由于复合率的增加。
4.5３温度对有机太阳电池的影响
温度对激子的分离及载流子的输运均有显著影响。在较低的偏压情况下，光电流以载流子的扩散为主，激子分离效率较低，增大温度能较大程度提升分离效率。此外，器件的开路电压和内建电势有直接关系，当温度降低时，内建电势逐渐增大，从而开路电压也逐渐增大。当温度改变时短路电流基本没有改变，因此器件的短路电流对温度的依赖较弱。
5结束语
总之，在当前各种条件下，有机太阳电池结构设计工作实践中依旧存在着多方面的问题，我们应该从这些问题的实际情况出发，深刻分析其产生的多方面原因，统筹并进，多措并举，克服该项工作中的诸多难点问题，进而获得最为优化可行的设计实施策略与效果。
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论文作者:岑宁光
论文发表刊物:《防护工程》2018年第10期
论文发表时间:2018/9/25
标签：载流子论文; 器件论文; 活性论文; 电荷论文; 电流论文; 空穴论文; 聚合物论文; 《防护工程》2018年第10期论文;