有機太陽能電池是20世紀90年代發展起來的新型太陽能電池，它是以有機半導體作為實現光電轉換的活性材料。與無機太陽能電池相比，它具有成本低、厚度薄、質量輕、製造工藝簡單、可做成大面積柔性器件等優點，具有廣闊的發展和套用前景，已成為當今新材料和新能源領域最富活力和生機的研究前沿之一。
基本介紹
- 中文名：有機光伏電池
- 發展時間： 20世紀90年代
- 活性材料：有機半導體
- 特性：成本低、厚度薄、質量輕
簡介,有機材料,分類原理,優點,缺點,發展前景,
簡介
有機太陽能電池是成分全部或部分為有機物的太陽能電池 ，他們使用了導電聚合物 或小分子用於光的吸收和電荷轉移。有機物的大量製備、相對價格低廉，柔軟等性質使其在光伏套用方面很有前途。通過改變聚合物等分子的長度和官能團可以改變有機分子的能隙，有機物的摩爾消光係數 很高，使得少量的有機物就可以吸收大量的光。
相對於無機太陽能電池，有機太陽能電池的主要缺點是較低的能量轉換效率，穩定性差和強度低。
有機材料
通常用於有機光伏電池的材料都是有大量共軛鍵的，共軛鍵是由交替碳碳單鍵和雙鍵組成的，共軛鍵的電子的簡併軌道是離域的，形成了離域成鍵軌道π軌道和反鍵軌道π*。離域π鍵是最高占據軌道(HOMO)，反鍵軌道π*是最低未占據軌道(LUMO)。HOMO和LUMO的能級差被認為是有機電子材料的[帶隙]，帶隙一般在1-4 eV。
當這些材料吸收了一個光子，就形成了激發態，並被局限在一個分子或一條聚合物的鏈，激發態可以被看作是在靜電力作用結合的一個電子和空穴，也就是激發子，簡稱激子。在光伏電池中，激子在不同物質的異質結形成的有效場中成為自由的電子空穴對，有效場使電子從吸光體（也就是電子給體）的導帶降到受體分子的導帶上從而破壞了激子，因此電子受體材料的導帶邊界，也就是它的LUMO必須低於吸光體材料。
分類原理
有機太陽能電池是以有機半導體材料作為光電轉換材料直接或間接將太陽能轉變為電能的器件。有機半導體材料主要包括有機高分子材料、有機小分子材料，從廣義的角度來說，凡是涉及有機半導體材料的太陽能電池都可稱為有機太陽能電池。各類有機太陽能電池的激子分離和電荷傳輸的機理具有很大的不同，因而有機材料在該類電池中的作用也有很大差別。
按照結構和光伏機理，有機太陽能電池可分為肖特基有機電池、異質結有機電池和染料敏化電池；按照使用材料的物理狀態，有機太陽能電池也可分為染料敏化電池和全固態有機太陽能電池，全固態有機太陽能電池又可以分為有機小分子太陽能電池和有機聚合物太陽能電池。
肖特基電池
肖特基電池是最早期的有機太陽能電池，即在真空條件下把有機半導體染料如酞菁等蒸鍍在基板上形成夾心式單層結構。對於肖特基型電池而言光激發形成的激子，在肖特基結的擴散層內被節區的電場驅使下實現正負電荷分離；在器件中其它位置上形成的激子，必須先移動到擴散層內才可能形成對光電流的貢獻，而有機染料內激子的遷移距離相當有限，通常<10nm，因此大多數激子在分離成電子和空穴之前就發生了複合，導致該類器件的光電轉換效率較低
異質結有機太陽能電池
異質結有機太陽能電池分為雙層異質結電池、體異質結太陽能電池和擴散雙層異質結電池等幾種較常見的結構，其中體異質結太陽能電池是目前有機聚合物太陽能電池研究中最主要的器件結構。體異質結結構簡單說就是將施主材料和受主材料混合分布在同一層中，從而大大增加了施主/受主界面的面積，使得激子能夠運動非常短的距離就可以得到有效分離。另一方面，將兩種材料混合在一起之後，若其中一種材料具有良好的成膜性，則可通過旋塗、噴墨列印等方式製備活性層，不需真空過程，可很大程度上簡化器件的製備過程，大幅降低器件成本。
染料敏化太陽能電池
染料敏化太陽能電池主要是模仿光合作用原理，以TiO2，ZnO，SnO2等寬禁帶的氧化物型納米級半導體為電極，使用染料敏化、無機窄禁帶半導體敏化、過渡金屬離子摻雜敏化、有機染料/無機半導體複合敏化以及TiO2表面沉積貴金屬等方法製成的太陽能電池。目前染料敏化太陽能電池的效率已經>11%，這種電池的突出優點是原材料豐富、成本低、工藝技術相對簡單，在大面積工業化生產中具有較大的優勢，同時所有原材料和生產工藝都是無毒、無污染的，部分材料可以得到充分的回收，對保護人類環境具有重要的意義。但是由於其有源層呈液態，易泄漏、易結晶，故人們的研究方向逐步轉向全固態有機太陽能電池，即以酞菁、卟琳、芘、葉綠素等為基體材料的有機小分子太陽能電池和以有機聚合物為基體材料的有機聚合物太陽能電池。而按照有機半導體層材料的差別，全固態有機太陽能電池又可分單層（單一有機或聚合物材料）結構、雙層（給體，受體）異質結結構和本體（給體/受體共混）異質結結構。最初的全固態有機太陽能電池都是單層結構，即肖特基電池；雙層和本體（給體/受體共混）異質結結構即上面所提到的異質結太陽能電池。
優點
相對於無機太陽能電池，有機太陽能電池具有如下優點：
（1）與無機太陽能電池使用的材料相比，有機半導體材料的原料來源廣泛易得、廉價，環境穩定性高，有良好的光伏效應、材料質量輕、較高的吸收係數（通常>105cm-1）、有機化合物結構可設計且製備提純加工簡便、加工性能好，易進行物理改性等。
（2）有機太陽能電池製備工藝更加靈活簡單，可採用真空蒸鍍或塗敷的辦法製備成膜，還可採用印刷或噴塗等方式，生產中的能耗較無機材料更低，生產過程對環境無污染，且可在柔性或非柔性襯底上加工，具有製造面積大、超薄、廉價、簡易、良好柔韌性等特點。
（3）有機太陽能電池產品是半透明的，便於裝飾和套用，色彩可選。
缺點
目前有機太陽電池的轉換效率較低且壽命短，尚未進入使用階段，存在著載流子遷移率低、結構無序、高的體電阻以及電池的耐久性差等問題，造成有機太陽能電池性能低下的原因主要有：
（1）由於有機材料分子間相互作用力很弱，大都為無定型，即使有結晶度，也是無定型與結晶形態的混合，光照射後生成的光生載流子主要在分子內的共軛價鍵上運動，電荷的傳輸是通過載流子在相鄰的分子態之間進行跳躍實現的，導致了有機材料的載流子遷移率一般都很低，與無機材料相比要低若干個量級，這對有機半導體器件的效率有較大影響；
（2）有機半導體材料吸收太陽光波段不寬，絕大部分材料最大吸收波段在350nm～650nm，而地球表面可吸收的太陽光的能量主要分布在600nm～800nm，因此吸收光譜與太陽光光譜不匹配，導致光電轉換效率低；如果通過增加激活層的厚度來提高光的吸收，但同時也會使器件的串聯電阻增大激子和載流子的遷移距離增加，短路電流減小，從而導致光電轉換效率較低；
（3）有機半導體在吸收太陽光後會產生束縛的空穴-電子對——“激子”，激子的分離與遷移並非全部有效，首先其擴散距離短，通常僅約為10nm，其次激子分離後產生的電子和空穴在一般有機材料中的傳輸速率不高，傳輸的過程中往往會受到電子和空穴複合的影響，並且電子和空穴傳輸到電極表面進入電極時通常要克服一個勢壘，這樣激子在半導體薄膜的遷移過程中就不可避免的存在著激子複合的損失，一般僅離邊界或結點最近的激子才會產生光伏電流，使得有機太陽能電池實際轉化效率低下；
（4）有機半導體材料在有氧和水存在的條件下往往是不穩定的。
發展前景
目前光伏電池研究的方向是開發高效低成本的電池材料和製造技術。
有機聚合物光伏電池採用共軛聚合物作為光伏材料，製作工藝簡單、成本低廉，可大面積製造，這使得有機聚合物光伏電池的研究越來越受到重視。雖然聚合物光伏電池的研究在最近幾年取得了顯著的發展，但其光電轉換效率仍很低，只有得到高效率、性能穩定的光伏電池，才能實現聚合物光伏電池的商業化。
對於有機聚合物光伏電池效率的提高可以通過材料的選擇和器件結構的最佳化來實現。另外從理論上就器件中激活層的厚度、給體受體所形成的微觀結構對光電流、激子分裂效率的影響，電池的串、並聯電阻對電池的伏安特性的影響等進行模擬分析，也為獲得高轉換效率的有機光伏電池提供了一個重要途徑。
