ACFM-7101

   有機(jī)太陽(yáng)能電池的工作原理

    在有機(jī)材料中,雖然最高占據(jù)軌道臼OMol和最低空置軌道GUM⑵分別相當(dāng)于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體中的價(jià)帶(VB)和導(dǎo)帶G⑴,但是有機(jī)材料的HoMO和LUMO能級(jí)是分立的,有別于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體中的連續(xù)能級(jí)ⅤB和CB。因此有機(jī)材料中的載流子是定域化的。而且與無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料中半徑較大的Wannier激子不同,有機(jī)材料中激子主要是半徑較小的Frenkel激子,其電子空穴對(duì)之間的結(jié)合力大于Wamier激子。因此,與無(wú)機(jī)光伏器件吸收光后產(chǎn)生自由電子空穴對(duì)不同,有機(jī)光伏器件在吸收光后,產(chǎn)生流動(dòng)的激發(fā)態(tài)(即束縛電子空穴對(duì))。曲于激子中電子空穴對(duì)之間庫(kù)侖作用較大,同時(shí)有機(jī)物介電常數(shù)較小,使激子解離需要的能量高于熱運(yùn)動(dòng)能量。因此,有機(jī)材料中激子解離困難,不易形成自由載流子。這些特性決定了有機(jī)太陽(yáng)能電池的工作機(jī)理同無(wú)機(jī)pn結(jié)光伏器件大不相同。

   圖4.7和圖4.8為給體/受體組成的有機(jī)太陽(yáng)能電池工作機(jī)理示意圖�？梢�看出,器件產(chǎn)生光伏效應(yīng)的過程如下(圖4o:①當(dāng)能量大于HOMOˉLUMO能隙的光子照射時(shí),給體分子將由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài),形成激子;②中性給體激子經(jīng)過擴(kuò)散后到達(dá)給體與受體界面;③界面附近的給體激子通過界面內(nèi)建電場(chǎng)的輔助,克服激子中電子空穴對(duì)之間的庫(kù)侖束縛力后,進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移――電子由給體LUMO能級(jí)轉(zhuǎn)移到受體LUMo能級(jí),形成電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物;④電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物中的電子空穴對(duì)需要再次克服庫(kù)侖束縛力后,才能解離為定域化的自由電荷,即陽(yáng)離子載流子和陰離子載流子(圖4③;⑤正負(fù)載流子經(jīng)過輸運(yùn)分別到達(dá)陽(yáng)極和陰極附近,被電極收集形成光電流。具體細(xì)節(jié),將在本節(jié)逐一介紹.