有机太阳能电池

有机太阳能电池

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2023年3月19日发(作者：绳扣大全)

有机太阳能电池的研究进展

王传坤;毛与婷;李萌;张星;马恒

【摘要】OrganicsolarcellbecomesoneofthehotspotsinPVresearch

fieldduetoitsflexibility,paperbasic

principleofthecellwork,cellstructure,bufferlayerandneworganic

ureprospect,developmenttrendofthe

organicsolarcelldeviceisdiscussed.%有机太阳能电池具有柔性好、价格廉、

重量轻等特点,已成为光伏技术领域研究的热点之一.文章从工作原理、器件结构,缓

冲层选择以及新材料选取等方面,介绍了有机太阳能电池的研究现状及发展,并展望

了有机太阳能电池的发展前景.

【期刊名称】《可再生能源》

【年(卷),期】2014(032)011

【总页数】6页(P1597-1602)

【关键词】有机太阳能电池;活性层;修饰层;倒置结构

【作者】王传坤;毛与婷;李萌;张星;马恒

【作者单位】兴义民族师范学院,贵州兴义562400;河南省光伏材料重点实验室,河

南新乡453007;兴义民族师范学院,贵州兴义562400;河南省光伏材料重点实验室,

河南新乡453007;兴义民族师范学院,贵州兴义562400;河南省光伏材料重点实验

室,河南新乡453007

【正文语种】中文

【中图分类】TM615

0引言

有机太阳能电池（Organicsolarcells）具有柔性好、重量轻、生产成本低廉等特

点，已成为光伏领域研究的热点之一。有机太阳能电池可以采用溶液处理的方法制

作成器件，改变传统太阳能电池的制作工艺，具有广阔的应用前景。近10年来，

有机太阳能电池的光电转化效率具有突破性的提高。2001年有机太阳能电池光电

转化效率仅为2.5%，2011年servic研究小组制成有效面积1cm2的有机太阳能

电池，其光电转化效率已经超过10%[1]。近年来，有机太阳能电池的光电转化效

率变化趋势如图1所示[2]。

图1有机太阳能电池光电转化效率的发展趋势Fig.1Developmenttrendsof

photoelectricconversionefficiencyoforganicsolarcells

有机太阳能电池采用有机半导体材料作为活性层，通过活性层材料吸收光子产生光

电流。由于有机半导体材料有较高的带隙，因此和无机太阳能器件相比，有机太阳

能电池的光电转化效率较低；因为无机半导体材料能够吸收连续的光谱，直接产生

载流子，并且材料具有三维的晶格结构，自由载流子具有较强的迁移率。实验室通

常使用具有较好电子迁移率的供体材料P3HT，其带隙为1.9eV，对应的光波波长

为650nm。供体材料(P3HT)和受体材料(PCBM)一起作为活性层材料，经过优化

后的器件光电转化效率为5%，只有硅太阳能电池光电转化效率的1/4[3]～[5]。

尽管有机太阳能电池的光电转化效率较低，但其柔性好、成本低，依然有较大的市

场应用价值。研究人员通过减小有机半导体材料的带隙，拓展材料的光谱吸收范围，

并进行优化器件结构等研究工作，进而提高了器件的光电转化效率。本文主要叙述

有机太阳能电池的工作原理、结构、材料，讨论有机太阳能电池的研究现状，展望

有机太阳能电池的发展前景。

1有机太阳能电池的工作原理

无机太阳能电池吸收光子后直接产生载流子，而有机太阳能电池吸收光子后产生的

是空穴-电子对（激子），其光伏效应包括：①活性层吸收光子；②产生激子和激

子扩散到供体和受体表面；③激子分离成空穴和电子；④电子和空穴经过各自的路

径传输到相应的电极；⑤电子和空穴被相应的电极收集形成电流[5]。有机太阳能

电池工作原理如图2所示。

图2有机太阳能电池工作原理Fig.2Principleoforganicsolarcells

采用开路电压Uoc、短路电流Isc、填充因子FF和光电转化效率η表征有机太阳

能电池特征。单层有机太阳能电池的开路电压是由电极的功函数决定，但异质结器

件的开路电压是由有机半导体供体材料的最高分子占据轨道或者离子势（HOMO）

和受体最低未占据轨道或者电子亲和势（LUMO）共同决定。

异质结半导体器件开路电压Uoc的经验公式为[6]

式中：Pmax为最佳输出功率；Imax为最佳输出电流；Umax为最佳输出电压；

Uoc为开路电压，Isc为短路电流，Pin为模拟光源的入射功率。

有机太阳能电池的参数关系如图3所示。

图3光照下的I-U特性Fig.3I-Ucharacteristicsofsolarcellilluminated

2有机太阳能电池的结构

2.1倒置型有机太阳能电池

传统的有机太阳能电池采用聚3,4-乙撑二氧噻吩（PEDOT）∶聚(对苯乙烯磺酸)

根阴离子（PSS）作为缓冲层。然而，PEDOT∶PSS为酸性，对阳极和活性层材

料具有腐蚀性，对有机太阳能电池的稳定性影响极大[8]。有机太阳能电池的一般

结构是采用供体材料P3HT和受体材料PCBM作为活性层材料，这两种材料对光

有较好的吸收性，但不能吸收整个光谱。正常结构和倒置结构器件如图4所示。

图4正常结构和倒置结构的有机太阳能电池示意图Fig.4Diagramoforganic

solarcellswithnormalstructureandinvertedstructure

采用倒置的有机太阳能结构，一方面能增加有机活性层材料对光的吸收，另一方面

能增强有机太阳能电池的稳定性。氧化锌是宽禁带的n型半导体材料，具有很高

的透光性、稳定性以及电子迁移率[9]。可以通过不同的方法和技术制备氧化锌薄

膜和氧化锌纳米颗粒。氧化锌独特的物理性质决定其适合作为有机太阳能电池的空

穴或者电子的缓冲层，以提高有机太阳能电池的整体性能。研究人员通过制备氧化

锌纳米粒子、纳米棒、纳米列阵以及氧化锌掺杂等方法，在不同程度上提高了有机

太阳能电池的性能[10]～[12]。MohammedAzizIbrahem制作的有机太阳能电

池为Glass/ITO/ZnO/P3HT∶PCBM/V2O2/Al结构[13]。采用比较简单的湿法制

作氧化锌纳米颗粒，粒子的平均半径为25nm，同时用氧化锌纳米颗粒取代

PEDOT∶PSS。研究表明，氧化锌纳米颗粒改善了缓冲层材料的电阻率和光透射率，

增大了电子传输面积，能有效地提高电子的有效传输效率，阻挡空穴的传输。经过

优化的有机太阳能电池，光电转化效率为4%。GonNamkoony采用溶剂处理的

方法，在氧化锌薄膜中掺杂TiOx，得到透明、具有较高电子迁移率的ZincTin

ZTO薄膜，制作成结构为Glass/FTO/ZTO/P3HT∶PCBM/WO3/Ag的倒置型

有机太阳能电池[14]。与单层的TiOx相比，ZTO更适合作为电子传输层，有效地

阻挡空穴的传输，减少电子和空穴的复合，增大器件的光电流。器件的光电转化效

率达到3.05%。

采用氧化锌作为缓冲层，不但能提高器件的光电性能，而且器件的稳定性及寿命均

能得到大幅度的提高。GobakGholamkhass采用氧化锌纳米粒子作为电子的缓

冲层，制作的器件为ITO/ZnO/P3HT∶PCBM/Au/PEDDOT∶PSS/AU结构，器

件的光电转化效率为3.8%[15]。未封装的器件在38±2℃的空气环境中存放50d

后，光电转化效率仍保持在初始值的90%以上。

2.2层叠结构有机太阳能电池

层叠结构的器件是将多个器件单元采用串联的方式层叠成新的器件。层叠结构器件

的优点是利用不同活性层材料吸收不同波段的光谱，使器件有更宽的光谱吸收范围，

进而提高器件的光电转化效率，同时减少器件的退化[16]，[17]。具有独特性能的

氧化锌(ZnO)、二氧化钛(TiO2)等半导体材料，可以作为两个或多个单元器件的中

间体。DouL研究小组采用ZnO作为光的隔离层和连接层，器件的结构为

Glass/ITO/PEDOT∶PSS/PCDTBT∶PC70BM/ZnO/PEDOT∶PSS/PDPP5T∶PC

60BM/Al[19]。该器件的电流密度为9.0mA/cm2，开路电压为1.44V，填充因

数为0.54，转化效率为7.0%。该器件采用的供体材料PCDTBT在短波范围内具

有较好的光吸收率，而供体材料PDPP5T在长波范围内具有较好的光吸收率，因

此采用这两种供体材料作为层叠结构的活性层材料，能够在最大范围内满足对整个

光谱的吸收[18]。

3有机太阳能电池材料的研究

3.1活性层材料的研究

异质结界面处的光诱导电荷转移是有机太阳能电池工作的主要机制。若要形成良好

电荷分离作用的异质结，须要选择良好的材料体系以获得更高的光电转化效率。活

性层材料的要求一般是给体具有较强的给出电子能力，受体具有较强的接受电子能

力。

有机太阳能电池活性层材料包括C60及其衍生物、噻吩类材料、聚对苯乙烯撑

（PPV）及衍生物和芳香胺类材料以及稠环芳香化合物。

在有机太阳能电池中应用最广的供体材料是噻吩类材料，受体材料一般为富勒烯的

衍生物。富勒烯（C60）具有较好的光诱导电荷转移的特性，其中C60分子中自

旋轨道的耦合很大，单线态和三线态的能级差很小，电子由单线态到三线态的系间

窜越速率较快。因此在给体和C60界面上，C60接受的电子能迅速地由单线态转

移到三线态，防止电子从C60再返回给体上[19]，[21]。有机太阳能电池受体材

料采用的是富勒烯（C60）的衍生物，能有效提高器件的性能。最常见的有PCBM，

PC70BM，PC71BM等（图5）。

图5有机太阳能电池中一些C60及其衍生物Fig.5C60anditsderivativesused

inorganicsolarcells

常见的供体材料是P3HT。该材料最大的特点是可以通过头尾相接形成有序的薄膜，

从而使电子具有较高的迁移率。随着研究工作的不断深入，新供体材料PCDTBT

和PDPP5T的出现，有机太阳能电池的光电转化效率不断提高[18]。图6给出的

是一些供体噻吩类材料。

图6作为供体材料的噻吩类材料Fig.6Materialofthiopheneasreceptors

3.2碳纳米材料在有机太阳能电池中的应用

碳纳米管具有独特的微观结构、电子以及光学特性。碳纳米管应用到有机太阳能电

池中可以使光电转化效率大幅度提高。纳米管又称为巴基管，由饭岛博士采用碳电

弧放电法合成“巴基球”时首次发现。纳米管是由单层或多层石墨片卷曲而成的无

缝、中空的纳米级管。碳纳米管分为单壁纳米管（SWNTS）和多壁纳米管

（MWNTS），独特的电子结构使其具有良好的半导体特性和良好的导电率。因此，

碳纳米管可以作为半透明的电极，收集空穴。传统的有机太阳能电池的阳极材料一

般是ITO(indumtinoxide)。ITO材料存在价格昂贵、不易和柔性基底相容、机

械性较差、容易破碎等缺陷。碳纳米管具有高度的柔性，不容易发生蠕变，因此可

以通过混合的方式和共轭高分子材料制作成有机薄膜充当电极。OstfeldAE采用

热还原处理工艺得到的碳纳米管具有较高的导电率和光透射率（550nm透过率大

于90%），以该材料为电极的有机太阳能电池的光电转换效率为2.5%[22]。采用

溶剂处理方式制作的碳纳米片也可作为有机太阳能电池的电极。该碳纳米片的厚度

通过溶液的浓度进行调节，制作的器件光电转化效率为1.76%。碳纳米管既可以

充当透明电极，也可以和高聚物混合充当活性层材料。有机太阳能电池光电转化效

率与有机活性层相的形态有直接关联。有机太阳能电池长时间使用后，性能迅速下

降，其直接原因是活性层相的形态发生分离。碳纳米管具有较大的表面比和长程电

荷传输特性。采用碳纳米管和共轭高分子混合提高有机太阳能电池的转化效率。

WangShiHao研究小组研究了碳纳米管掺杂在活性层P3HT∶PCBM中的有机太

阳能电池的性能[23]。研究表明，有机薄膜材料吸收谱有蓝移的现象，同时混合薄

膜的粗糙度提高。无掺杂活性层的有机太阳能电池的短路电流密度为7.07

mA/cm2，光电转化效率为2.13%，掺杂0.5%碳纳米管之后的有机太阳能电池短

路电流密度为8.12mA/cm2，光电转化效率为2.87%。Radhakrishna研究小组

将多壁碳纳米管和PCBM按照重量比3%和7%比例与P3HT进行混合，研究有机

太阳能电池的稳定性。研究发现，有机太阳能电池器件在空气中测量时，掺杂的有

机太阳能电池具有较强的光子稳定性，减少了光子的淬灭，从而增强了整个器件的

稳定性[24]。

3.3有机太阳能电池修饰层材料

有机太阳能电池的光电性能可以通过电极修饰层或其它界面修饰而改善。电极修饰

层能使电极的功函数与受体的LUMO或供体的HOMO相匹配，进而提高电荷的

传输能力和阻挡空穴或者电子的传输。

有机太阳能电池的阳极选取材料一般是导电性和透光性良好的ITO或

FTO(SnO2∶F)导电薄膜。以ITO作为阳极的有机太阳能电池器件中，经过修饰后

的ITO功函数最大可为5.0eV,通常有机空穴传输材料的HOMO＞5.5eV,因此空

穴在电极的注入就会有约0.5eV的注入势垒。因此ITO和FTO导电薄膜和有机

活性层之间存在能级的差异，限制了有机太阳能电池的各项性能。为了减小空穴与

电极之间的势垒，研究人员采用臭氧对ITO处理来增加其功函数，提高电极与有

机空穴材料能级的匹配度。不同的研究小组都采用阳极缓冲层掺杂方式来调节能级

不匹配问题。

有机太阳能电池阳极缓冲层常用的材料为PEDOT∶PSS，这种材料具有良好的导

电率和透光性。但是，PEDOT∶PSS具有酸性，容易腐蚀ITO薄膜和有机活性层，

最终会引起有机太阳能电池器件光电性能的不稳定。为了弥补PEDOT:PSS材料的

自身缺陷，研究人员通过对PEDOT∶PSS掺杂（如掺杂碳纳米颗粒EG等）来提

高薄膜材料的物理性能[25]。

胡雪花采用乙醇、甲醇、去离子水、异丙醇等对PEDOT:PSS进行了掺杂[26]。研

究表明，乙醇稀释的PEDOT∶PSS薄膜变得更加平整，PEDOT和PSS的分离度

进一步提高，同时薄膜的导电性也得到提高，有利于空穴和电子的传输。以

PFN[(9,9-bis(3-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9，9-

dioctylfluorene)]作为阳极缓冲层，发现未封装的器件在空气中测量时获得的短路

电流密度为17.2mA/cm2，光电转化效率为9.15%，量子效率接近70%；而经

过封装后器件的光电转化效率为9.214%。此器件最大的优点是具有较高的稳定性，

封装的器件在空气中保存60d后，光电转换效率依然能保持在95%以上。传统的

器件在空气中保存10d后，光电转化效率就衰减为原来的50%。研究人员指出，

由于PFN材料的特殊结构能减少供体材料和受体材料因热运动产生载流子复合，

增加活性层材料对光子的吸收，因此具有较高的电流密度。

空穴缓冲层可以采用过渡金属氧化物或金属-氧化物混合物修饰。PanH制作的器

件采用MoO3-Au作为阳极的修饰层，可以通过调节Au的浓度来改变MoO3-

Au的光学特性和导电特性[27]。通过添加MoO3-Au，缓冲层ITO的粗糙度由

4.08nm变为1.81nm，使ITO的表面变得更加平整，进而提高了器件的光电流。

与单层的MoO3以及PEDOT∶PSS器件相比，MoO3-Au作为缓冲层的器件稳定

性更好，其寿命是以MoO3和PEDOT∶PSS为缓冲层器件寿命的3～40倍。

有机太阳能电池阴极材料一般是选取导电性能良好且性能稳定的金属材料，如果金

属材料的功函数太高，就会与受体材料的LUMO能级不匹配，降低载流子的收集，

进而降低有机太阳能电池的光电转化效率。在有机太阳能电池器件中，由于电子是

通过阴极材料的费米能级向有机半导体材料的LUMO能级注入，因此阴极费米能

级与有机半导体材料的费米能级之差是电子注入势垒的主要来源。一般阴极材料的

功函数较大，通常与有机电子传输材料的LUMO有一定的差距，若直接采用金属

材料作为阴极，电子的势垒就会增大，为了降低电子的注入势垒，一般选取电子缓

冲层对阴极界面进行修饰，进而提高能级的匹配。阴极修饰层可以采用多种材料，

LiF,MoO3和Alq3等材料能有效地减少激子在界面的复合。

HadipourA采用Ag作为阴极电极，采用TiOx作为阴极缓冲层，其结构为

ITO/PEDOT/P3HT∶PCBM/TiOx+Ag。与ITO/PEDOT/P3HT∶PCBM/Ca+Ag

结构相比，器件的性能有明显提高，短路电流密度达到10.1mA/cm2，光电转化

效率为5.9%[28]。TiOx缓冲层的引入可以改变器件内部光场强的空间分布，增大

器件对光子的吸收，同时能阻挡空气中的氧分子以及水分子对器件的腐蚀，进而提

高器件的稳定性和寿命。

4结语

目前，有机太阳能电池的光电转化效率已经突破10%，并在器件的物理性能和理

论上进行了深入研究。但是，与无机太阳能电池相比，有机太阳能电池无论是在理

论上，还是在技术上，依然存在较大的差距。给体和受体材料的特性影响器件的光

电转化效率，在未来的研究中应该深入的研究新材料，进而提高器件的光电转化效

率。在制备高性能器件时，必须解决有机太阳能电池的稳定和寿命问题。器件长期

在高温和强光照下工作，有机半导体材料会发生分解，因此，合理设计器件结构和

合成性能稳定的有机半导体材料是非常必要的。另外，通过对活性层材料能级的调

节，对薄膜形貌的控制以及退火时间的合理调控，可进一步提高有机太阳能电池的

光电转化效率。有机太阳能电池必定能在未来的商业应用中占据重要的位置。

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