太陽(yáng)能聚合物電池的原理及發(fā)展前景

　　1. 有機(jī)/聚合物太陽(yáng)能電池的基本原理

　　有機(jī)/聚合物太陽(yáng)能電池的基本原理是利用光入射到半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)或金屬半導(dǎo)體界面附近產(chǎn)生的光生伏打效應(yīng)（Photovoltaic）。光生伏打效應(yīng)是光激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)一激子被各種因素引起的靜電勢(shì)能分離產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。當(dāng)光子入射到光敏材料時(shí)，光敏材料被激發(fā)產(chǎn)生電子和空穴對(duì)，在太陽(yáng)能電池內(nèi)建電場(chǎng)的作用下分離和傳輸，然后被各自的電極收集。在電荷傳輸?shù)倪^(guò)程中，電子向陰極移動(dòng)，空穴向陽(yáng)極移動(dòng)，如果將器件的外部用導(dǎo)線連接起來(lái)，這樣在器件的內(nèi)部和外部就形成了電流。對(duì)于使用不同材料制備的太陽(yáng)能電池，其電流產(chǎn)生過(guò)程是不同的。對(duì)于無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池，光電流產(chǎn)生過(guò)程研究成熟，而有機(jī)半導(dǎo)體體系的光電流產(chǎn)生過(guò)程有很多值得商榷的地方，聚合物電池也是目前研究的熱點(diǎn)內(nèi)容之一，在光電流的產(chǎn)生原理方面，很多是借鑒了無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池的理論（比如說(shuō)其能帶理論），但是也有很多其獨(dú)特的方面，現(xiàn)介紹如下：

　　一般認(rèn)為有機(jī)/聚合物太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程包括：光的吸收與激子的形成、激子的擴(kuò)散和電荷分離、電荷的傳輸和收集。對(duì)應(yīng)的過(guò)程和損失機(jī)制如圖1所示。

圖1 聚合物太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換過(guò)程和入射光子損失機(jī)理

　　1.1 光吸收與激子的形成

　　當(dāng)太陽(yáng)光透過(guò)透明電極ITO照射到聚合物層上時(shí)，不是所有的光子都能被聚合物材料所吸收的，只有光子能量hν大于材料的禁帶寬度Eg時(shí)，光子才能被材料吸收，激發(fā)電子從聚合物的最高占有軌道（HOMO）躍遷到最低空軌道（LUMO），留在HOMO中的空位通常稱為“空穴”，這樣就形成了激子，通常激子由于庫(kù)侖力的作用，具有較大的束縛能而綁定在一起。對(duì)于入射到地面的太陽(yáng)光譜從其能量分布來(lái)看，大約在700nm處能量是最強(qiáng)的，因而所使用的激活層材料其吸收光譜也應(yīng)該盡量的接近太陽(yáng)的輻照光譜，并且在700nm處達(dá)到最強(qiáng)的吸收，這樣有力于激活層材料對(duì)光的吸收和利用。但是從目前研究的聚合物材料來(lái)看，其吸收光譜均不能與太陽(yáng)光譜很好的匹配。

　　1.2 激子擴(kuò)散和電荷分離

　　通常情況下，光激發(fā)產(chǎn)生的激子要經(jīng)過(guò)一定的路徑，傳輸?shù)胶线m的位置才能進(jìn)行解離。在傳輸過(guò)程中激子遷移的動(dòng)力是擴(kuò)散。當(dāng)束縛的激子擴(kuò)散到由半導(dǎo)體/金屬、有機(jī)層/有機(jī)層、有機(jī)層/無(wú)機(jī)層所形成的界面處可以完成激子的解離。但是激子的擴(kuò)散長(zhǎng)度是有限的，一般在10nm左右，距離界面10nm以外的激子是得不到解離的，對(duì)光電流沒(méi)有貢獻(xiàn)。當(dāng)激子遷移到界面處，并在界面處解離成功才能形成自由的載流子（正、負(fù)電荷），自由的載流子在內(nèi)建電勢(shì)或是外加電場(chǎng)力的作用下，會(huì)產(chǎn)生定向的運(yùn)動(dòng)，從而使兩種載流子分開(kāi)。

　　1.3 電荷的傳輸和收集

　　電子在聚合物中的傳輸是以跳躍的方式進(jìn)行的，遷移率比較低。如MEH-PPV（聚2-甲氧基－5-（2'-乙基－己氧基）－1,4-亞苯基亞乙烯基）的空穴遷移率是10-7cm2/V·S，聚噻吩的是10-5cm2/V·S，而在這兩種材料中電子的遷移率要遠(yuǎn)低于空穴的遷移率。向兩個(gè)電極傳輸?shù)恼?fù)電荷，最終會(huì)傳輸?shù)诫姌O處被各自的電極收集。因而電荷的收集效率也是影響光伏器件功率轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素。主要影響電荷收集的因素是電極處的勢(shì)壘，再有就是激活層與電極界面的接觸情況。