ACFM-7101

   有机太阳能电池的工作原理

    在有机材料中,虽然最高占据轨道臼OMol和最低空置轨道GUM⑵分别相当于无机半导体中的价带(VB)和导带G⑴,但是有机材料的HoMO和LUMO能级是分立的,有别于无机半导体中的连续能级ⅤB和CB。因此有机材料中的载流子是定域化的。而且与无机半导体材料中半径较大的Wannier激子不同,有机材料中激子主要是半径较小的Frenkel激子,其电子空穴对之间的结合力大于Wamier激子。因此,与无机光伏器件吸收光后产生自由电子空穴对不同,有机光伏器件在吸收光后,产生流动的激发态(即束缚电子空穴对)。曲于激子中电子空穴对之间库仑作用较大,同时有机物介电常数较小,使激子解离需要的能量高于热运动能量。因此,有机材料中激子解离困难,不易形成自由载流子。这些特性决定了有机太阳能电池的工作机理同无机pn结光伏器件大不相同。

   图4.7和图4.8为给体/受体组成的有机太阳能电池工作机理示意图。可以看出,器件产生光伏效应的过程如下(图4o:①当能量大于HOMOˉLUMO能隙的光子照射时,给体分子将由基态跃迁至激发态,形成激子;②中性给体激子经过扩散后到达给体与受体界面;③界面附近的给体激子通过界面内建电场的辅助,克服激子中电子空穴对之间的库仑束缚力后,进行电荷转移――电子由给体LUMO能级转移到受体LUMo能级,形成电荷转移复合物;④电荷转移复合物中的电子空穴对需要再次克服库仑束缚力后,才能解离为定域化的自由电荷,即阳离子载流子和阴离子载流子(图4③;⑤正负载流子经过输运分别到达阳极和阴极附近,被电极收集形成光电流。具体细节,将在本节逐一介绍.