有机太阳能电池的机理和可行配方及工艺的介绍

　　早在1986年，美籍华人科学家柯达公司的邓青云博士首先成功制备了有机太阳能电池［1］。邓博士充分发挥了柯达公司对有机感光材料的独特优势，用双层膜异质结的电池结构，实现了1%转换效率的有机太阳能电池［2］。一年后，邓博士的团队又报道了蒸镀制备，亮度大于1000cd/ m2，发光效率超过1.5lm/W，而驱动电压小于10V的发光器，这就是我们现在知道的OLED，邓博士也因此被称为 “OLED之父”。由于双层膜异质结100nm的吸收长度远大于激子10nm 的扩散长度，激子在被接触电极收集之前就发生复合，这种结构有机太阳能电池的转换效率难以提高。但是，上世纪90年代初提出的体异质结概念使施主材料和受主材料的界面混合在一起，形成了复杂的界面［3］，如图1所示。这样，激子在扩散长度内，就能到达施主材料和受主材料的界面，实现了快速的激子分离，而足够厚的体异质结可以更加充分地吸收入射光。空穴分离，但是电子-空穴对仍然通过静电的库仑力互相吸引，由于库仑束缚而不能彻底分离，形成激子。有机太阳能电池异质结的载流子分离机理为： • 施主材料吸收入射光子，产生激子，如图2（a）所示； • 激子从施主材料扩散到施主材料和受主材料界面，如图2 （b）所示； • 激子被分离为电子和空穴之前有μm～ms的寿命，如图2 （c）所示； • 电子被受主材料吸收，空穴留在施主材料中，如图2（d）所示； • 电子和空穴分别被铝阴极和透明阳极收集，如图2（e）所示； • 如果激子离开施主-受主界面的距离大于扩散长度，那么会在载流子分离之前发生复合，释放荧光，如图2（f）所示。

　　施主材料可以用共轭聚合物RR-P3HT，受主材料用富勒烯衍生物PCBM，溶剂用四氢化萘或oDBC和均三甲苯的混合溶剂，ITO缓冲层用PEDOT-PSS，如表1所示。溶剂配方决定了聚合物和富勒烯体异质结的形貌和特性。把两种沸点不同的溶剂进行混合，即68%的oDBC和32%的均三甲苯，转换效率可以达到3%［4］。oDBC可以防止喷嘴堵塞，保证墨滴喷射通畅。均三甲苯的沸点为165℃，oDBC 的沸点为180℃。相比oDBC或四氢化萘，均三甲苯沸点更低，20℃的蒸气压1.86mm汞高，表面张力也更低。均三甲苯使墨滴在衬底上更容易扩散并聚合，使脱水和固化更快 ［5］。ITO缓冲层PEDOT-PSS是一种导电率很高的高分子聚合物水溶液，ITO/PEDOT-PSS双层复合膜，可以增加电流密度。PEDOT是EDOT（3，4-乙撑二氧噻吩单体）的聚合物， PSS是聚苯乙烯磺酸盐，这两种物质在一起可以极大地提高 PEDOT的溶解性。