有机太阳能电池的阴极界面设计

1.1引言

在经济快速发展的冲击下，资源能源问题更加的突出了。传统的能源，煤炭、石油、天然气、水能、木材等不仅不能极大地满足人们的迫切需要，并且也带来一系列的环境污染问题。相对于传统能源，新能源普遍具有污染少、储量大的特点，对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源枯竭问题具有重要意义。太阳能作为其中的一种新能源取之不尽, 用之不竭，具有很好的发展前景。1954 年, 美国的贝尔研究所成功地研制出硅太阳能电池,将6%的光能转化为了电能， 开创了光电转换研究的先河^[1,2]。之后关于太阳能电池的研究迅速发展起来, 最初主要集中于以单晶硅为活性材料的无机太阳能电池. 20世纪90 年代又发展了砷化镓、碲化镉以及叠层GaInP/GaAs/Ge 等器件, 它们由单晶、多晶或非晶薄膜构成。 由于无机太阳能电池原料成本高, 生产工艺复杂和窄带隙半导体的严重光腐蚀使太阳能发电不能大面积推广。

第一个有机光电转化器件是由Kearns和Calvin在1958年制备的，最早报道于1959年^[3]，其主要材料为镁酞菁（MgPc）染料，染料层夹在两个功函数不同的电极之间，器件的开路电压为200 mV，池的转换效率极低, 仅为2#215;10^-6。1986 年Tang 等^[4]首次引入电子给体(p 型)/电子受体(n 型)有机双层异质结的概念, 制备了双层有机太阳能电池(ITO/CuPc/PV/Ag), 其转换效率(η_p)大约1%, 填充因子(fill factor)达到0.65。 经过20 多年的发展, 目前实验室报道的有机太阳能电池的最高效率为6.77%, 该结果得到美国国家能源部研究实验室的验证^[5]。与无机半导体材料相比, 有机太阳能电池的转换效率还比较低, 存在着载流子迁移率低及耐久性差等问题, 尚未大规模市场化。根据模拟预测, 当器件的能级结构和材料的迁移率都处于同时优化时, 本体异质结聚合物/富勒烯太阳能电池的η_p可达到11%^[6], 级联器件的η_p可达16%^[7]。科研人员通过合成新材料、优化结构以及完善理论等方面的研究, 正朝着这个目标努力。

有机半导体材料是最为廉价和最有发展潜力的太阳能电池材料, 其优势表现为: 一方面, 由于有机材料合成成本低, 功能和结构易于调制, 柔韧性及成膜性都较好；另一方面，由于有机太阳能电池加工过程相对简单，可低温操作， 器件制作成本也随之降低。 除此之外， 有机太阳能电池的潜在优势还包括: 可实现大面积制造、可使用柔性衬底、环境友好、轻便易携等， 有望应用在手表、便携式计算器、玩具、柔性可卷曲系统等体系中为其提供电能^[8]。

2.有机太阳能电池的结构与材料

几乎所有的有机太阳电池都是一个叠层结构，最基本的就是”三明治”结构^[9]，有机光吸收层被夹在两种不同电极之间。其中一个电极必须是透明或半透明的，如氧化铟锡(Indium Tin Oxide ITO)、氧化锌(ZnO)等，有时非常薄的金属薄膜也常用，如金(Au)薄膜。上述电极的功函数都比较高，另一个电极一般选用低功函数的金属，如钙(Ca)、银(Ag)、锂(Li)、镁(Mg)、铝(Al)等。一般常用的是Al和Ag，因为其他低功函数的金属在空气中非常容易氧化。对比Ag和Al，很多时候又采用Al，原因是Al的原子质量比Ag小，在蒸发镀膜过程中Al对有机层的轰击损伤小^[10]。用于有机太阳能电池中的常见的有机小分子包括酞菁（Pc）类衍生物、并五苯、C₆₀、浴铜灵（BCP）、NPD(N,N′-二苯基-N,N′-(1-萘基)-1,1′-联苯-4,4′-二胺)、二萘嵌苯（又称PTCBI）。这些有机小分子材料大部分是一些含共轭体系的染料分子，通常具有很好的可见光吸收光谱，具有良好的光电特性。

3.有机太阳能电池工作机制

有机太阳能电池的物理过程包括:光生激子的产生、激子的分离、电荷传输、电荷收集。

3.1光生激子的产生