有机/聚合物太阳能电池的基本原理及其相关知识介绍

　1. 有机/聚合物太阳能电池的基本原理

　　有机/聚合物太阳电池的基本原理是利用光入射到半导体的异质结或金属半导体界面附近产生的光生伏打效应（Photovoltaic）。光生伏打效应是光激发产生的电子空穴对一激子被各种因素引起的静电势能分离产生电动势的现象。当光子入射到光敏材料时，光敏材料被激发产生电子和空穴对，在太阳能电池内建电场的作用下分离和传输，然后被各自的电极收集。在电荷传输的过程中，电子向阴极移动，空穴向阳极移动，如果将器件的外部用导线连接起来，这样在器件的内部和外部就形成了电流。对于使用不同材料制备的太阳能电池，其电流产生过程是不同的。对于无机太阳能电池，光电流产生过程研究成熟，而有机半导体体系的光电流产生过程有很多值得商榷的地方，也是目前研究的热点内容之一，在光电流的产生原理方面，很多是借鉴了无机太阳能电池的理论（比如说其能带理论），但是也有很多其独特的方面，现介绍如下：

　　一般认为有机/聚合物太阳电池的光电转换过程包括：光的吸收与激子的形成、激子的扩散和电荷分离、电荷的传输和收集。对应的过程和损失机制如图1所示。

　　图1 聚合物太阳能电池光电转换过程和入射光子损失机理

　　光吸收与激子的形成

　　当太阳光透过透明电极ITO照射到聚合物层上时，不是所有的光子都能被聚合物材料所吸收的，只有光子能量hν大于材料的禁带宽度Eg时，光子才能被材料吸收，激发电子从聚合物的最高占有轨道（HOMO）跃迁到最低空轨道（LUMO），留在HOMO中的空位通常称为“空穴”，这样就形成了激子，通常激子由于库仑力的作用，具有较大的束缚能而绑定在一起。对于入射到地面的太阳光谱从其能量分布来看，大约在700nm处能量是最强的，因而所使用的激活层材料其吸收光谱也应该尽量的接近太阳的辐照光谱，并且在700nm处达到最强的吸收，这样有力于激活层材料对光的吸收和利用。但是从目前研究的聚合物材料来看，其吸收光谱均不能与太阳光谱很好的匹配。