主题：【原创】有机太阳能电池技术简介 -- fullerene

了解了有机太阳能电池的主要组成材料之后，再来看看怎么把这些材料组装起来成为一个电池。

这些年人们一直把邓青云博士（C. W.Tang）视为有机太阳能电池的发明者（邓青云在1979年就有机双层异质结太阳能电池申请专利，等到1986年才发表了相关论文）；但最近我们发现，其实早在1960人就有人做出双层膜有机异质结的器件结构，只不过那人没把它称作“太阳能电池”，而是称之为“有机光敏二极管（德文：Organischer Photodioden）”而已。尽管如此，第一次明确地把有机半导体异质结结构与太阳能电池结合起来，还是意义重大、贡献突出的。

图1 邓青云和他的有机太阳能电池

且让我们看一下邓青云博士的有机太阳能电池结构（图1）。这个电池主要由四个部分组成，由下往上依次是透明电极（玻璃加三氧化二铟层）、有机电子给体（铜酞菁，CuPc）、有机电子受体（苝的一种衍生物，PV）和背电极（由银电极及上面的金丝构成）。参见图2甲，氧化铟电极的功函数低于铝电极（从能级图上，功函数越大，其能级

就越靠图的下方），这就在电池内部形成了一个内建电场。

图2 甲：双层膜有机太阳能电池的能级示意图，乙：光电转化的四个步骤。1. 电子给体吸收光子形成激子；2. 激子扩散到给体/受体界面上；3. 在界面上激子分离为自由电子和空穴；4. 自由载流子在内建电场作用下移动到两个电极上。

有机太阳能电池中的吸光材料通常是电子给体，亦即P型材料。光通过透明电极照射在电子给体上；电子给体吸收光子后，分子中的电子被从HOMO（Highest Occupied Molecular Orbital，最高被占分子轨道）能级被激发到LUMO（Lowest Unoccupied Molecular Orbital，最低空分子轨道）能级上，形成前述通过静电力结合的激子。激子是电中性的，因此只能通过扩散的方式在电子给体中运动；当它运动到给体、受体界面上时，电子会从给体的LUMO能级注入到受体的LUMO能级，激子由此分子成一对自由的电子和空穴；电池和空穴在电池的内建电场的作用下分子向电子的负极（金属电极）和正极（透明电极）运动，由此就形成光电压和电能输出。

由此，我们可以总结出影响有机太阳能电池工作效率的四个主要因素：

一、有机材料的吸光能力。这决定了太阳光照射下，电池中所能形成的激子的数量。

二、有机材料中激子的扩散距离，换句话说，也就是激子在有机材料中的寿命。

激子只能在给体/受体界面上分离，未能分离成自由电子和空穴的激子在一定时间后会“复合”，也就是激发态的电子通过弛豫过程，又回到了电子基态；而原来吸收了光子能量则变成了热，浪费掉了。激子在有机材料中能存在的时间越长，能扩散的距离越远，就有越大的几率可以扩散到给体/受体界面上。

三、激子分离效率。

激子扩散到给体/受体界面上之后，电子可以从给体的LUMO能级上注入受的LUMO能级，但同时还会有一些与之竞争的过程，主要就是电子从受体LUMO回传到给体LUMO上的几率。第一个过程应该远快于第二个过程，激子才能有效地分离为自由电子与空穴。

四、载流子传输效率。

有机半导体材料中存在许多束缚点，电子或者空穴途经这些束缚点时会被困住，无法抵达相应的电极。表征有机半导体材料传输能力的主要参数是载流子迁移率越大，载流子的传输效率越高。

二十多年来学术界对有机太阳能电池的性能改进就是围绕着这四点展开，第4节将具体介绍。