有机太阳能电池结构与性能提升.pptxVIP

Organic Solar Cells : Device architectures, Working principlesandPerformance improvement Why OPV ?1.Device architecturesAnode(Al /Ag)Conjugated polymer Transparent cathodeSingle layer (Schottky –type)Anode(Al /Ag)AcceptorDonor Transparent cathodeBi-layer (Planar heter-ojunction -PHJ type) 2009年4月26日《nature photonics》上的高效单结电池理想结构Anode Donor :Acceptor Transparent cathode D-A blendinglayer(Bulk heterojunction –BHJ device)Dead end Anode AcceptorDonor :Acceptor DonorTransparent cathode D-D:A-A layer(Hybrid bulk heterojunction –HHJ device)PIN type AndoeN type Acceptor DonorP typeTransparent cathode Tandem Polymer Solar Cells 2007年science,6.5%.采用倒型结构，窄能隙结构单元作为第一层。器件最大的特色是在子电池结构单元之间使用了溶胶法制备的透明TiOx作为光隔离层和连接层 叠层太阳电池的开路电压一般大于子单元 （理想情况下，等于子单元开路电压之和），总电流决定于电流较小的子单元，其转换效率主要受光生电流的限制 ,设计的关键是合理地选择各子电池的能隙宽度和厚度以及优良的连接层以保证子电池之间的欧姆接触 。Tandem inverted Polymer Solar Cells 2012年，杨阳研究组的达到10.6%Organic /Inorganic hybrid Solar Cells2.Working principles 2.1光子捕获吸收---激子产生2.2能量传输与转移---激子扩散2.3电荷的转移和分离---激子解离2.4载流子的输运和收集2.0 Exciton ? Wannier exciton? Charge-transfer exciton? Frenkel exciton导带 n=3 n=2激子能级n=1价带Wannier exciton(typical of inorganicsemiconductors)Frenkel exciton(typical of organicmaterials)MOLECULAR PICTURESEMICONDUCTOR PICTUREGROUND STATE WANNIER EXCITONGROUND STATE FRENKEL EXCITONbinding energy ~10meVradius ~100? binding energy ~1eV radius ~10?Vacuum EnergyEnergy/eVADφmIDφm eAlAlITODonorAcceptor 2.1.光子捕获吸收---激子产生 在有机物中， 分子吸收光子之后，电子将从HOMO 跃迁到LUMO上，而在HOMO上留下空穴，这束缚的电子和空穴对即为激子。ITOLUMOlightHOMOAl2.2能量传输和转移---激子扩散/输运 由于有机分子之间的作用力很小，材料的HOMO 与LUMO 是不连续的，电子和空穴的传输是跳跃式的 ，扩散长度Ld 约5~20nm 激子在有机质中是通过能量传递的方式进行输运的： Foster能量转移 Dexter能量转移LUMOHOMO分子内传输ITOAl D*2 D2D1 D*1 偶极-偶极能量转移(分子间Foster能量转移)：将激子视为偶极子，它与其他偶极子之间存在相互作用。激子偶极子的振动将引起临近分子的振动，以此可以将激子的能量传递给临近分子 D*2 D2D1 D*1 电子交换能量转移（Dexter能量转移)：激子中的电子本身也可以由激发态的分子跃迁到邻近的基态分子的最低空轨道上，与此同时，空穴也跃迁到同一基态分子的最高占据轨道上，以平衡电荷 2.3.电荷的转移和分离---激子解离 有机材料中激子束缚能较大，室温下的热能不足以将光生激子解离为自由电荷。同时 激子的寿命和扩散长度（5~20nm）都比较的短，这限制了活性层的厚度 。通常情况下，有机光伏器件需要一个有