有機太陽能電池的機理和可行配方及工藝的介紹

　　早在1986年，美籍華人科學家柯達公司的鄧青云博士首先成功制備了有機太陽能電池［1］。鄧博士充分發(fā)揮了柯達公司對有機感光材料的獨特優(yōu)勢，用雙層膜異質結的電池結構，實現(xiàn)了1%轉換效率的有機太陽能電池［2］。一年后，鄧博士的團隊又報道了蒸鍍制備，亮度大于1000cd/ m2，發(fā)光效率超過1.5lm/W，而驅動電壓小于10V的發(fā)光器，這就是我們現(xiàn)在知道的OLED，鄧博士也因此被稱為 “OLED之父”。由于雙層膜異質結100nm的吸收長度遠大于激子10nm 的擴散長度，激子在被接觸電極收集之前就發(fā)生復合，這種結構有機太陽能電池的轉換效率難以提高。但是，上世紀90年代初提出的體異質結概念使施主材料和受主材料的界面混合在一起，形成了復雜的界面［3］，如圖1所示。這樣，激子在擴散長度內，就能到達施主材料和受主材料的界面，實現(xiàn)了快速的激子分離，而足夠厚的體異質結可以更加充分地吸收入射光。空穴分離，但是電子-空穴對仍然通過靜電的庫侖力互相吸引，由于庫侖束縛而不能徹底分離，形成激子。有機太陽能電池異質結的載流子分離機理為： ? 施主材料吸收入射光子，產生激子，如圖2（a）所示； ? 激子從施主材料擴散到施主材料和受主材料界面，如圖2 （b）所示； ? 激子被分離為電子和空穴之前有μm～ms的壽命，如圖2 （c）所示； ? 電子被受主材料吸收，空穴留在施主材料中，如圖2（d）所示； ? 電子和空穴分別被鋁陰極和透明陽極收集，如圖2（e）所示； ? 如果激子離開施主-受主界面的距離大于擴散長度，那么會在載流子分離之前發(fā)生復合，釋放熒光，如圖2（f）所示。

　　施主材料可以用共軛聚合物RR-P3HT，受主材料用富勒烯衍生物PCBM，溶劑用四氫化萘或oDBC和均三甲苯的混合溶劑，ITO緩沖層用PEDOT-PSS，如表1所示。溶劑配方決定了聚合物和富勒烯體異質結的形貌和特性。把兩種沸點不同的溶劑進行混合，即68%的oDBC和32%的均三甲苯，轉換效率可以達到3%［4］。oDBC可以防止噴嘴堵塞，保證墨滴噴射通暢。均三甲苯的沸點為165℃，oDBC 的沸點為180℃。相比oDBC或四氫化萘，均三甲苯沸點更低，20℃的蒸氣壓1.86mm汞高，表面張力也更低。均三甲苯使墨滴在襯底上更容易擴散并聚合，使脫水和固化更快 ［5］。ITO緩沖層PEDOT-PSS是一種導電率很高的高分子聚合物水溶液，ITO/PEDOT-PSS雙層復合膜，可以增加電流密度。PEDOT是EDOT（3，4-乙撐二氧噻吩單體）的聚合物， PSS是聚苯乙烯磺酸鹽，這兩種物質在一起可以極大地提高 PEDOT的溶解性。