有機(jī)太陽能電池，顧名思義，就是由有機(jī)材料構(gòu)成核心部分的太陽能電池。主要是以具有光敏性質(zhì)的有機(jī)物作為半導(dǎo)體的材料，以光伏效應(yīng)而產(chǎn)生電壓形成電流，實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電的效果。
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)太陽能電池的工作機(jī)理同無機(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)太陽能電池工作機(jī)理示意圖。可以看出，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(fù)載流子經(jīng)過輸運(yùn)分別到達(dá)陽極和陰極附近，被電極收集形成光電流。
有機(jī)太陽能電池的結(jié)構(gòu)
有機(jī)太陽能電池按照半導(dǎo)體的材料可以分為單質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、P-N異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、染料敏化納米晶結(jié)構(gòu)。
單質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)
單質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是以Schotty勢(shì)壘為基礎(chǔ)原理而制作的有機(jī)太陽能電池。其結(jié)構(gòu)為玻璃/金屬電極/染料/金屬電極，利用了兩個(gè)電極的功函不同，可以產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，電子從低功函的金屬電極傳遞到高功函電極從而產(chǎn)生光電流。由于電子—空穴均在同一種材料中傳遞，所以其光電轉(zhuǎn)化率比較低。
P—N異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)
P-N異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是指這種結(jié)構(gòu)具有給體-受體（N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體）的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)。其中半導(dǎo)體的材料多為染料，如酞菁類化合物、苝四甲醛亞胺類化合物，利用半導(dǎo)體層間的D/A界面（Donor——給體，Acceptor——受體）以及電子—空穴分別在不同的材料中傳遞的特性，使分離效率提高。EliasStathatos等人結(jié)合無機(jī)以及有機(jī)化合物的優(yōu)點(diǎn)制得的太陽能電池光電轉(zhuǎn)化率在5%~6%。
NPC（nanocrystalinephotovoltaiccell）染料敏化納米晶
染料敏化太陽能電池（DSSC）主要是指以染料敏化的多空納米結(jié)構(gòu)TIO2薄膜為光陽極的一類太陽能電池。它是仿生植物葉綠素光合作用原理的太陽能電池。而NPC太陽能電池可選用適當(dāng)?shù)?/font>氧化還原電解質(zhì)從而使光電效率提高，一般可穩(wěn)定于10%，并且納米晶TIO2制備簡(jiǎn)便，成本低廉，壽命可觀，具有不錯(cuò)的市場(chǎng)前景。 |
