有機太陽能電池材料與裝置

第2章　有機太陽能電池概覽

　　隨著人類社會的快速發展和工業化進程的不斷推進，當今世界對於能源與環境的需求日益提高。能源消耗的70%主要來自傳統的化石能源，包括煤炭、石油、天然氣等。傳統的化石能源燃燒的過程中不僅會釋放大量汙染物質，而且其儲量也是有限的，隨著近些年來過度的開發利用，人類面臨著日益嚴重的能源危機與環境汙染問題。為了緩解環境壓力，一定程度上解決能源危機的問題，開發並利用新型可再生的綠色能源迫在眉睫。在眾多的綠色可再生能源中，太陽能因其儲量豐富、分布廣泛、綠色無汙染等優勢受到了海內外科學家的廣泛關注。

　　太陽能的利用方式主要包括光電轉換、光熱轉換、光化學轉換三類。其中，太陽能電池作為一種將太陽能轉化為電能的高效光電裝置，是實現太陽能光電轉換的重要途徑之一。太陽能電池主要可分為矽基太陽能電池、染料敏化太陽能電池、量子點太陽能電池、銅銦鎵硒太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池、有機太陽能電池等。目前獲得大規模商業化生產製備的太陽能電池主要是矽基太陽能電池，該類太陽能裝置因其材料製備工藝複雜、生產成本高、不具有柔性製備的缺點，發展受限。相比於已經商業化生產製備的矽基太陽能電池，有機太陽能電池具有材料來源廣泛、材料結構易於調控、低成本、可溶液加工處理、可柔性大面積卷對卷印刷製備裝置、具有可調控的絢麗多彩的顏色等優勢獲得了海內外眾多科學家的高度重視。近十年來，隨著各國科學家的不懈努力，在有機太陽能電池活性層材料的設計合成、裝置工藝優化等方面取得了突飛猛進的提升。其中單結裝置光電轉換效率已經超過19%，疊層裝置光電轉換效率已達到20.2%。有機太陽能電池顯示出巨大的發展潛力，展現出趕超無機太陽能電池的發展勢頭。

　　縱觀有機太陽能電池的發展歷程，高效的活性層材料的設計合成是其快速發展的前提基礎。裝置性能的優化，例如活性層形貌的調控及介面材料的選擇是發揮活性層材料最佳性能的關鍵。活性層材料主要包括供體材料以及受體材料，供體材料包括小分子供體與聚合物供體材料；受體材料主要包括富勒烯衍生物受體材料以及非富勒烯受體材料，非富勒烯受體材料主要包括聚合物受體材料和小分子受體材料。其中小分子受體材料因其合成路線簡單、結構確定、能階易調控、成本低廉、易純化、不存在批次問題等優勢引起人們的廣泛關注。又因其結構多樣性、性能高效、吸光、能階易調控等優點，一躍成為目前的研究焦點。

　　下面，將從有機太陽能電池發展歷程、裝置評價參數、裝置工作原理及未來發展潛力四個方面簡述有機太陽能電池的發展狀況。

2.1　有機太陽能電池的發展歷程

　　早在1839年，科學家首次發現光生伏打效應。1950年代，H. Kallmann等研發了首個蕭特基裝置，主要採用單晶蒽作為活性物質，採用兩個功函數不同的金屬作為金屬電極，製成了三明治夾心結構的蕭特基裝置。該裝置獲得了0.2V的開路電壓。儘管該裝置在當時獲得了較低的光電轉換效率，但是被認為是有機太陽能電池領域的第一個太陽能裝置。在隨後的很多年裡，有機太陽能電池發展遲緩，主要受限於合適的中間活性層材料和裝置製備工藝。直到1986年，鄧青雲博士研發出雙層異質結有機太陽能電池，在該研究中，採用蒸鍍的方法分別將供體材料酞菁銅（CuPc）和受體材料四羧酸基苝衍生物（PV）蒸鍍在銦摻雜導電玻璃（ITO）和金屬銀電極之間，製成了具有雙層異質結結構的有機太陽能電池，並獲得了0.95%的光電轉換效率。

　　隨著研究的持續深入，雙層異質結裝置性能受限的主要原因是有機半導體材料的激子擴散長度較短，約10～20nm，導致有機太陽能電池活性層薄膜厚度受到限制，進而限制裝置的光擷取能力，難以獲得高的短路電流密度。1992年，A. J. Heeger與K. Yoshino等幾乎同時發現共軛聚合物與富勒烯材料之間存在有效的光誘導電荷轉移，並且其激子解離效率幾乎可達到100%。為後續更高性能太陽能裝置的研究奠定了基礎。1995年Yu等科學家首次提出了本體異質結結構的裝置（Bulk-heterojunction, BHJ）。創造性地將聚合物供體分子MEH-PPV與富勒烯衍生物PC61BM共混，從而有效地增大了供受體介面的接觸面積，為獲得較高的光電轉換效率提供了可能。這種供受體共混得到的本體異質結結構具有奈米尺度的互穿網絡結構，相應太陽能裝置獲得了2.9%的光電轉換效率。由於本體異質結結構有效擴大了供受體之間的接觸面積，可以有效地促進激子在供受體介面的解離效率，逐漸成為有機太陽能電池領域的研究主流。並極大推動了有機太陽能電池獲得快速的發展。

　　在隨後的研究中，基於BHJ結構的有機太陽能電池不斷取得創新性研究進展，也取得一系列突破性研究成果，詳見第1章。整體來說，得益於有機半導體材料的創新、裝置製備工藝的進步、活性層薄膜後處理工藝的探索、介面層材料的進步等一系列創新性工作使有機太陽能電池在最近十年獲得快速發展。
其中，單結裝置已獲得超過19%的裝置效率，疊層裝置的光電轉換效率已達到20.2%。

2.3　有機太陽能電池的工作原理

　　有機太陽能電池由光能到電能的轉換通常要經歷五個過程：（1）光照下供體／受體吸收光子產生激子（光吸收與激子產生）；（2）激子擴散到供受體介面（激子擴散）；（3）激子在供受體介面處解離為自由的自由載流子即電子－空穴對（激子解離）；（４）自由的載流子在相應的相中向相應的電極傳輸（電荷傳輸）；（5）電荷被相應的電極收集（電荷收集）。

2.3.1　光吸收與激子產生

　　在太陽光照射下，供受體分子吸收相應波段的光子使電子由其最高佔據軌道（HOMO）躍遷至最低空軌道（LUMO）從而產生激子（電子－空穴對）。在OSCs裝置中吸收更多的光子用以轉換成激子是產生較高短路電流密度的前提。活性層材料中供體與受體材料的吸收光譜範圍、材料的吸光能力（即莫耳吸光係數）、活性層厚度等都是影響太陽能裝置活性層材料對太陽光吸收效率的因素。另外，與富勒烯體系激子主要由供體材料提供不同，非富勒烯受體體系的有機太陽能裝置中供受體材料均可產生激子，這也是非富勒烯體系能夠獲得較高太陽能性能的主要原因。因此，設計合成具有較寬吸光範圍的活性層材料（供受體分子）是獲得高性能太陽能電池的基礎。

2.3.2　激子擴散

　　激子產生後，擴散到供受體介面，產生電荷轉移態（Charge Transfer State，CT態）。而在此之前，激子會發生兩種轉移過程，其一，發生單分子複合回到基態，透過發射熒光的形式釋放能量。其二，順利擴散到供受體介面進行下一過程。研究發現在BHJ結構中控制供受體相分離尺度在10nm附近有利於減少單分子複合從而提高裝置效率。

2.3.3　激子解離

　　對於激子分離來說，由於無機半導體材料與有機半導體材料最大的不同就在於有機材料通常具有較小的介電常數（ε約等於3），而無機材料具有較大的介電常數（ε大於10），因此，有機材料通常具有較大的庫倫勢壘（即束縛能），使其在供受體介面處需要額外的驅動力來完成激子分離。也就是說在激子形成電荷轉移態（CT態）時需要在合適的內建電場作用下才能完成激子分離。而內建電場的大小主要取決於供體材料的HOMO能階與受體材料的LUMO能階之間的差值，通常認為供受體之間HOMO及LUMO之間能階差都應大於0.3eV才能保證激子的有效分離。研究表明，對於非富勒烯體系來說，當ΔELUMO和ΔEHOMO的差值小於0.3eV時激子也能發生有效的分離並且獲得較高的光電轉換效率。

第2章　有機太陽能電池概覽

　　隨著人類社會的快速發展和工業化進程的不斷推進，當今世界對於能源與環境的需求日益提高。能源消耗的70%主要來自傳統的化石能源，包括煤炭、石油、天然氣等。傳統的化石能源燃燒的過程中不僅會釋放大量汙染物質，而且其儲量也是有限的，隨著近些年來過度的開發利用，人類面臨著日益嚴重的能源危機與環境汙染問題。為了緩解環境壓力，一定程度上解決能源危機的問題，開發並利用新型可再生的綠色能源迫在眉睫。在眾多的綠色可再生能源中，太陽能因其儲量豐富、分布廣泛、綠色無汙染等優勢受到了海內外科學...

緒論（節錄）

　　隨著人類社會的發展，環境汙染問題日益嚴重。全球變暖導致海平面上升，使得許多沿海城市面臨被淹沒的風險。能源與環境問題是當今經濟社會快速發展面臨的一大挑戰。同時，在我們身邊的霧霾現象也嚴重威脅著人類社會的健康發展。因此，開發利用可替代化石能源的綠色新型能源勢在必行。太陽能作為一種綠色可持續發展的清潔能源，因其具有清潔無汙染且儲量豐富等優點引起研究人員的高度重視。太陽能電池作為一種將太陽能轉化為電能的高效裝置，是實現太陽能有效利用和國際範圍內提倡要求的「雙碳」目標的重要途徑之一。

　　目前發展快速的太陽能電池主要包括：有機太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池、矽太陽能電池、染料敏化太陽能電池等。其中，有機太陽能電池（Organic Solar Cells, OSCs）因其成本低廉、可柔性大面積卷對卷印刷製備、可半透明、可溶液處理、材料結構及性能可調控、高遷移率等優點獲得快速發展，逐漸成為近幾年的研究焦點。有機太陽能電池（Organic Photovoltaics, OPV）近幾年來取得了突飛猛進的發展。在有機太陽能電池的快速發展歷程中，活性層材料的發展起到至關重要的作用，是有機太陽能電池領域的研究基礎。有機太陽能電池的活性層材料從早期的基於富勒烯體系及聚合物供體材料到後來的供體（Donor, D）－ 受體（Acceptor, A）交替共聚物，到受體－供體－受體（Acceptor-Donor-Acceptor, A-D-A）型小分子供體材料，到近幾年的A-D-A 型稠環小分子受體材料這些材料的發展是有機太陽能電池性能不斷突破的關鍵。

　　這主要是由於分子內供體（D）單位與受體（A）單位之間的分子內電荷轉移作用，從而降低材料的能隙，使吸收光譜進一步發生紅移的結果。而裝置製備工藝從早期的真空蒸鍍到目前的可溶液處理方式，極大地推動了有機太陽能領域的快速發展。近年來，隨著稠環小分子受體材料的發展，尤其是明星受體分子Y6及其衍生物的出現，伴隨著裝置製備工藝的不斷提升，有機太陽能電池領域獲得巨大成功。

緒論（節錄）

　　隨著人類社會的發展，環境汙染問題日益嚴重。全球變暖導致海平面上升，使得許多沿海城市面臨被淹沒的風險。能源與環境問題是當今經濟社會快速發展面臨的一大挑戰。同時，在我們身邊的霧霾現象也嚴重威脅著人類社會的健康發展。因此，開發利用可替代化石能源的綠色新型能源勢在必行。太陽能作為一種綠色可持續發展的清潔能源，因其具有清潔無汙染且儲量豐富等優點引起研究人員的高度重視。太陽能電池作為一種將太陽能轉化為電能的高效裝置，是實現太陽能有效利用和國際範圍內提倡要求的「雙碳」目標的重要途徑之一。
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第１章　緒論
第２章　有機太陽能電池概覽
第３章　有機太陽能電池：供體材料
第４章　有機太陽能電池：受體材料
第５章　有機太陽能電池：三元結構
第６章　有機太陽能電池：疊層
第７章　有機太陽能電池：形貌調控
第８章　有機太陽能電池：穩定性

第１章　緒論
第２章　有機太陽能電池概覽
第３章　有機太陽能電池：供體材料
第４章　有機太陽能電池：受體材料
第５章　有機太陽能電池：三元結構
第６章　有機太陽能電池：疊層
第７章　有機太陽能電池：形貌調控
第８章　有機太陽能電池：穩定性