摘要：有机太阳能电池由于成本低廉，功能材料来源广泛，质量轻，便于携带，耗能少，易制备成大面积柔性器件等优点，被认为是新一代光伏器件的代表之一。目前低的转换效率和不稳定的性能阻止了有机太阳能电池的产业化和实用化。大量研究表明，界面和界面过程往往是影响有机太阳能电池性能和稳定性的重要因素。鉴于此，本文主要分析有机太阳能电池界面过程。
关键词：有机太阳能；电池界面；过程
1、太阳能电池概述
二次工业革命之后，煤、石油、天然气等不可再生资源被广泛应用于生活和生产之中。随着社会经济的发展和人类文明日益进步，人们对能源的需求也不断增长。目前人类主要使用的能源基本都来自于这些不可再生资源。然而，由于它们的储量都有限，并且不可再生，这就与人类的需求构成了不可协调的矛盾。并且它们在燃烧过程中产生的会造成温室效应，环境污染，生态破坏等，这对人类生存环境带来了极大的危害。因此，开发清洁，环保，储量巨大的可再生资源迫在眉睫二。目前可再生清洁资源包括：太阳能，风能，地热能，潮汐能，核能等。其中太阳能是非常理想的清洁能源，受到了国内外各领域的广泛关注。与其它能源相比，太阳能具有很多优势。如：（1）储量丰富，太阳能可谓是取之不尽用之不竭的理想能源；（2）由于不存在运输问题，太阳能可以运用在偏远的山区或者海岛等地；（3）可以就地储存利用，在有光照的地方就有太阳能。（4）环境友好型能源，使用太阳能不会生产废水，废气，废渣等，对环境友好。人类对太阳能的利用形式可分为：光热转化，光化学能转化以及光电转化。光热转化就是光能转化为热能，包括太阳灶和太阳能热水器等，这些都已经广泛的应用于生活中。光化学转化是由光能转化为化学能，主要是光合作用等，它是为人类提供氧气的主要形式，是人类赖以生存的来源。光电转化是由光能转化为电能，太阳能电池是光电转化的代表。
2、有机太阳能电池工作原理
有机太阳能的电池工作原理不同于无机太阳能电池，无机的太阳能电池是无机半导体材料吸收光后把电子从价带直接激发到导带形成激子，激子是电子和空穴在库能力的束缚而成无机的材料激子的结合能低，低于室温的26meV｡无机的材料激子从环境中获得热能量后电子和空穴解离开形成自由的电荷，最终电子在内建电场的作用下被电极收集产生电流｡然而，在有机太阳能电池中有机半导体材料吸收光子之后产生的激子结合能比较大，典型的激子的结合能大约是0.4eV，在这种情况下，仅仅依靠环境的热能量是不足把光生激子解离开，而是需要更高的能量｡紧接着，光生激子就会在浓度梯度的作用下进巧扩散，扩散长度大约lO0nm，在扩散的过程中，激子也不能被内建电场解离主要是激子具有大的束缚能｡激子只有扩散到了有机给体和受体的界面时，由于界面势突变带来强的电场才能使激子拆分，而拆分成的自由电子和空穴在内建电场的作用下分别被各自的电极收集而形成电流｡以上过程可从曾结为四个过程：激子产生，激子扩散，激子拆分，自由电荷收集，其工作原理图如图1所示｡光照射在有机活性层中产生激子，在有机活性层中扩散的激子遇到给体/受体界面洁会解离成为自由电子和空穴，电子在给体/受体界面转移进入电子受体材料最低未占据轨道(LUMO)，随后，位于给体材料最高占有轨道(HOMO)上的空穴和受体材料LUMO上的电子分别被相应电极所收集，在阴阳两极上形成了光生电压，这样最终实现了光生电流效应。
图1 有机太阳能电池的工作原理图
3、有机太阳能电池界面修饰
有机太阳能电池的有机功能层和两电极接触的界面对器件光电性有着重要的作用。目前提高有机太阳能电池的光电转化效率和提高寿命是研究的热点。进器件性能的方法之一是在功能层与电极之间插入界面层也就是阴、阳极缓冲层。缓冲层对太阳能电池的界面起到了修饰作用，对光电转换效率和寿命等都具有较大的影响。缓冲层有以下几个作用：（1）修饰电极表面使其表面平整有序以便利于随后的有机功能层制备；（2）隔开功能层与电极，使激子远离电极，防止其在电极处的萍灭；（3）阻挡自由载流子向光电流收集方向的反方向传输；影响电极功函数，使电极与功能层之间形成欧姆接触；（4）防止水氧的腐蚀，提高器件的寿命和稳定性；（5）作为光学间隔层可以起到调节光场，使功能层更充分的吸收太阳光的作用。
4、有机太阳能电池界面过程
4.1、有机太阳能电池阳极和功能层界面
电极/给体材料/受体材料/电极是有机太阳能电池常见的结构。给体/受体界面是有机太阳能电池光电流产生的关键因素，需要十分重视此界面激子的拆分。当前，受体材料广泛的采用C60，该材料由石墨提取而成，具有比较高的电子传输效率，属于N型有机材料。但在有机太阳能功能层中，有机材料只有C60时，产生的光电流比较小，将镁加入其中，作为阴极缓冲层，可将电池的性能有效地提高，并提升光电的转化效率，但界面激子拆分的效率并未提高。从C60到ITO，电子具有非常快的注入速度，当C60与ITO直接接触时，在光照条件下，C60材料中的激子拆分之后，空穴会快速的与ITO中的电子复合。由此，通对ITO/C60的界面修饰，界面复合有效地减少，当功能层仅有一层C60材料时，有机太阳能电池的性能可以有效地提高。
4.2、给体/受体界面电子和激子相互作用产生光电流
给体/受体界面的激子解离过程是有机太阳能电池光电转化效率的主导因素，当前普遍认为，在给体/受体界面，光生激子首先要经历短程电荷对或电荷转移态激子，接着，部分的电荷转移态激子进一步分离，最终形成自由载流子，部分依然再次成为激子，因此，电荷转移态激子、自由载流子和激子共同存在与给体/受体界面附近。研究发现，在载流子和激子之间，存在相互作用，进而产生光电流。
当斩波器频率和单色光的光强变化发生变化时，电池A的量子效率并不会受到影响，由此说明，拆分与收集的效率都比较高，而偏光并不会对传导电流产生影响，因此，电池A的光电流并不会受到界面过程激子的影响。而电池B与电池A电流产生的过程不同，因此，可能会受到一定的影响。无论是电池A的激子拆分，还是电池B的电子-激子相互作用，都在功能层界面中发生，显然，在电池A中，同时存在着激子拆分和电荷-激子相互作用，进而产生光电流。
总之，有机太阳能电池光电转化效率的高低直接影响其利用效率，而光电转化效率又受到界面过程的影响，因此，通过对界面过程的研究，增加界面激子拆分的效率，促使有机太阳能电池性能的提升，从而有效地提高光电转化效率，提升有机太阳能的利用效率，拓宽有机太阳能电池的应用范围，充分的发挥有机太阳能电池的作用，缓解能源危机，促进社会及经济的快速发展。
参考文献：
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论文作者:秦雨英
论文发表刊物:《基层建设》2018年第17期
论文发表时间:2018/8/13
标签：太阳能电池论文; 界面论文; 受体论文; 电极论文; 材料论文; 电流论文; 效率论文; 《基层建设》2018年第17期论文;