聚合物太陽能電池簡介

對聚合物太陽能電池的研究可以追溯到20世紀80年代。1977年，a. j. heeger和h. hirakawa在聚乙炔中加入了微量的碘，得到的材料的電導(dǎo)率是純聚乙炔的108倍，接近于銀和銅等良導(dǎo)體的水平。接下來,頻繁的一些主要發(fā)現(xiàn):1986年,伊士曼柯達公司唐博士基于異質(zhì)結(jié)有機太陽能電池,在1992年,加州大學(xué)圣芭芭拉分校Heeger和其他人發(fā)現(xiàn),高分子材料與富勒稀釋的受體激子分離現(xiàn)象,聚合物發(fā)展的異質(zhì)結(jié)太陽能電池提供了依據(jù)。

 

1995年，劍橋大學(xué)的Friend et al.和加州大學(xué)圣巴巴拉分校的Heeger et al.獨立開發(fā)了基于聚合物與受體共混結(jié)構(gòu)的塊狀異質(zhì)結(jié)太陽能電池。到目前為止，聚合物太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，并在未來20年內(nèi)迅速發(fā)展，盡管它們與硅基太陽能電池在應(yīng)用上有很大的差距。

 

臺灣新竹清華大學(xué)的廖等人最近創(chuàng)造了單塊聚合物太陽能電池最高能量轉(zhuǎn)換效率的新紀錄，該紀錄為9.35%，該電池是基于PTB7的新型聚合物電池。近年來，為了簡化制造過程，提高設(shè)備在不同地區(qū)和環(huán)境下的穩(wěn)定性和使用壽命，人們加大了對有機太陽能電池的商業(yè)化力度。對于有機太陽能電池，近年來的快速發(fā)展引起了人們對該系統(tǒng)最高效率的興趣。早在1961年,肖克利和Queisser通過理論研究證明了無機半導(dǎo)體太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率極限大約是30%,與實際無機太陽能電池的效率非常接近這個值采用多結(jié)形式和集中形式等方法。

 

有機太陽能電池和無機太陽能電池的一個主要區(qū)別是，有機太陽能電池中活性層材料的介電常數(shù)較低，產(chǎn)生了緊密結(jié)合的激子(電子-空穴對)。這種緊密結(jié)合的激子被稱為Frenker激子，它們的結(jié)合能通常在0.3 ~ 1ev之間。這樣大的結(jié)合能可以防止激子在電場作用下解離。對于有機電致發(fā)光器件，這種現(xiàn)象降低了激子進入無輻射衰變軌道的概率，保證了電致發(fā)光的高效率。在有機太陽能電池的情況下，這增加了一個額外的步驟比無機太陽能電池的光伏過程。因此，有機太陽能電池中的光激子在分離過程中有一定的能量損失，一般為0.3-0.4 eV，這使得研究者普遍認為其理論上的最大效率應(yīng)該低于無機太陽能電池。一般認為，異質(zhì)結(jié)中供體最低占據(jù)分子軌道(LUMO)與受體最高占據(jù)分子軌道(HOMO)之間的能量差是導(dǎo)致Frenkd激子解離的驅(qū)動力。真正限制有機太陽能電池效率的因素看起來很簡單，但事實上，它們非常復(fù)雜，有必要深入討論這個問題。