基于有机薄膜的太阳能电池材料与器件研究进展 - 中国科学.pdf

中国科学 B 辑 :化学 2008 年 第 38 卷 第 11 期 : 957 ~ 975 SCIENCE IN CHINA PRESS 基于有机薄膜的太阳能电池材料与器件研究进展 密保秀, 高志强, 邓先宇, 黄维* 南京邮电大学信息材料与纳米技术研究院, 江苏省有机电子与平板显示重点实验室, 南京 210003 * 联系人, E-mail: wei-huang@ 收稿日期：2008-04-30; 接受日期：2008-10-10 国家自然科学基金(批准号 、江苏省高校自然科学基础研究基金(批准号：08KJB430011)和南京邮电大学攀登计划(批 准号：NY207013, NY207162) 资助项目 摘要 近年来, 有机薄膜太阳能电池的研究得到突飞猛进的发展, 其功率转换效 关键词 率从很困难达到 3%, 普遍地提高到 3%~5%, 且根据模拟预测有希望达到 10%. 显 光伏 然, 这是新材料和新器件结构的涌出以及器件机理研究深入的共同结果. 本文介绍 太阳能电池 有机薄膜太阳能电池的的结构及工作原理, 讨论材料结构与器件性能的关系, 综述 有机薄膜 电池结构 近年来材料与器件结构等方面的进展. 1 引言 料敏化二氧化钛太阳能电池[4,5] 出现,其转换效率可达 到 10%左右. 但是该类电池需要液体电解液, 阻碍了 太阳能电池是将光能(太阳光能)转换为电能的 其实际应用. 器件, 是一种光伏器件, 于 1954 年在贝尔实验室首 次发现[1,2] . 开始的研究主要集中于以单晶硅为活性 最为廉价和有吸引力的太阳能电池材料非有机 材料的无机太阳能电池, 当时贝尔实验室报道的器 物莫属：一方面由于有机材料合成成本低、功能易于 件效率为 4%. 无机太阳能电池通常是基于p-n 结结 调制、柔韧性及成膜性都较好; 另一方面由于有机太 构：p 区存在过剩空穴, n区存在过剩电子, 在p-n结附 阳能电池加工过程相对简单, 可低温操作, 器件制作 近, 由于p型和n型的突变而形成内建电场. 材料吸收 成本也较低. 除此之外, 有机太阳能电池的潜在优势 光后产生的电子空穴对, 通过扩散, 达到p-n 结界面, 还包括：可实现大面积制造、可使用柔性衬底、环境 在内建电场作用下分开, 并分别向 2 个电极移动, 形 友好、轻便易携等. 因而有望在手表、便携式计算器、 成光伏. 20 世纪 90 年代无机太阳能电池家族中又发 半透光式充电器、玩具、柔性可卷曲系统等体系中发 展了砷化镓、碲化镉以及叠层GaInP/GaAs/Ge等器件, 挥供电作用. 它们由单晶、多晶或者非晶薄膜构成. 尽管目前无机 有机太阳能电池的研究始于 1959 年, 其结构为 太阳能电池总能量转化效率达到了 25% 以上[3], 但是, 单晶蒽夹在 2 个电极之间[6], 器件的开路电压为 200 昂贵的成本及窄带隙半导体的严重光腐蚀限制了无 mV, 由于激子的解离效率太低使得转换效率极低. 机太阳能电池的实际应用. 降低成本是这一领域的 这方面研究的重大突破是邓青云博士于 1986 年报道 主要课题之一：人们一方面发展可降低成本的非晶薄 的双层结构染料光伏器件[7]. 器件以酞菁衍生物作为 膜加工技术, 另一方面也在研究较为