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   激子解離(電荷的轉(zhuǎn)移和分離)

   除了要求活性材料有較高的太陽(yáng)光譜吸收能力,有機(jī)光伏器件中激子解離過(guò)程也是決定器件效率的重要因素。因?yàn)槲樟艘粋�(gè)光子后的有機(jī)分子,產(chǎn)生相互關(guān)聯(lián)的電子空穴對(duì)tFrenkel激子),它們之間的相互作用力較大,需要在較強(qiáng)的電場(chǎng)下,才能解離成光伏器件的最終產(chǎn)物:自由電荷。例如,將電子空穴對(duì)在空間上分開(kāi)1111n,所需要克服的庫(kù)侖結(jié)合能通常約為0.5eV。

   較大的束縛能,使有機(jī)物中的激子在室溫下的熱能不足以將光生激子解離為自由電荷。同時(shí),與無(wú)機(jī)物相比,有機(jī)光伏器件中激子的壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度也比較短:有機(jī)物激子的擴(kuò)散長(zhǎng)度大約為5~20nm,這個(gè)值相對(duì)于無(wú)機(jī)物的擴(kuò)散長(zhǎng)度(≥1um),或者相對(duì)于器件中有機(jī)薄膜厚度(≥100nm)要小得多。這些特點(diǎn)不但限制了有機(jī)光伏器件中的活性有機(jī)薄膜的厚度,還限制了激子的解離。

   通常情況下,有機(jī)光伏器件中需要一個(gè)有效的電子受體來(lái)協(xié)助強(qiáng)束縛力激子中電子的轉(zhuǎn)移,即有機(jī)電池結(jié)構(gòu)中通常要存在給體/受體界面。兩個(gè)材料在界面處LUMO能級(jí)的差別形成了內(nèi)建電場(chǎng),驅(qū)動(dòng)激子中電荷的轉(zhuǎn)移。如圖4,10所示,對(duì)于有機(jī)給體/受體①/A)器件,給體D吸收光后,一個(gè)電 子由HOMo躍遷至LUMo,形成激子(DⅡ)。通常激子的能量比給體的能隙(HOMoˉLUMO gap)低大約0,1~1eV(即激子的結(jié)合能)。如果受體分子A存在于附近,DⅡ中處于LUMO中的電子有機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)移到受體A的LUMO中,產(chǎn)生電荷分離并形成電荷轉(zhuǎn)移態(tài)。電荷轉(zhuǎn)移態(tài)是由給體的HOMo和受體的LUMo組成,具有的能量。