ACFM-7101

   有機太陽能電池的工作原理

    在有機材料中,雖然最高占據軌道臼OMol和最低空置軌道GUM⑵分別相當于無機半導體中的價帶(VB)和導帶G⑴,但是有機材料的HoMO和LUMO能級是分立的,有別于無機半導體中的連續(xù)能級ⅤB和CB。因此有機材料中的載流子是定域化的。而且與無機半導體材料中半徑較大的Wannier激子不同,有機材料中激子主要是半徑較小的Frenkel激子,其電子空穴對之間的結合力大于Wamier激子。因此,與無機光伏器件吸收光后產生自由電子空穴對不同,有機光伏器件在吸收光后,產生流動的激發(fā)態(tài)(即束縛電子空穴對)。曲于激子中電子空穴對之間庫侖作用較大,同時有機物介電常數較小,使激子解離需要的能量高于熱運動能量。因此,有機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太陽能電池的工作機理同無機pn結光伏器件大不相同。

   圖4.7和圖4.8為給體/受體組成的有機太陽能電池工作機理示意圖。可以看出,器件產生光伏效應的過程如下(圖4o:①當能量大于HOMOˉLUMO能隙的光子照射時,給體分子將由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài),形成激子;②中性給體激子經過擴散后到達給體與受體界面;③界面附近的給體激子通過界面內建電場的輔助,克服激子中電子空穴對之間的庫侖束縛力后,進行電荷轉移――電子由給體LUMO能級轉移到受體LUMo能級,形成電荷轉移復合物;④電荷轉移復合物中的電子空穴對需要再次克服庫侖束縛力后,才能解離為定域化的自由電荷,即陽離子載流子和陰離子載流子(圖4③;⑤正負載流子經過輸運分別到達陽極和陰極附近,被電極收集形成光電流。具體細節(jié),將在本節(jié)逐一介紹.