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有机薄膜太阳能电池的结构与制作技术

2012-04-19 15:54来源:21IC中国电子网关键词:薄膜太阳能电池收藏点赞

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窄带隙聚合物因能确保长波侧的光吸收,故不仅能增大光吸收能量的积分值,而且,因原来的π共轭高分子与可以光吸收的波长区不同,将二者叠层后能形成2端子的串联结构。

构成整块异质结的π共轭高分子与电子受体分子的电荷输送,受覆盖于薄膜的内部电场推动而扩散,或以跳跃式传导输送至电极。此时,空穴和电子的输送因经由分子轨道的重叠,分子轨道重叠良好的结晶状态,理所当然就是理想状态。径向规则的π共轭高分子,在薄膜刚形成之后分子链的方向性是无规则的无定向。通过后置的缓冷,增大结晶化程度。即使对具有整块异质结的薄膜,藉后置的缓冷也已确认是提高了polythiophene系的结晶化程度。故可改善太阳电池的短路电流密度。若采用玻璃转移温度以上的后置缓冷,则效果更佳。

藉助π共轭高分子与电子受体分子的混合比例、溶剂的种类、涂敷的方法以及大气、溶剂的挥发条件等,可以改变整块异质结的结构。可将这些参数控制到一定程度,还要考虑相分离的尺寸和均匀性以及电荷的输送。对于这样的整块异质结相分离结构的控制,是提高发电效率不可缺少的重要因素。不断尝试着对这一相分离结构用块状(block)共重合体控制的方法。利用共重合体的高分子链分子量和亲、疏水性等性质,块状共重合体可周期地构建成纳米级的高分子相分离结构。块状共重合体中,相分离尺寸为10nm~数十nm左右,与由π共轭高分子和低分子的电子受体分子构成的相分离结构相同,当然可实现以下的致密结构。现正处于材料合成的试制阶段。这种材料不能达到顶级的发电效率,无法构建按微相分离结构设置电极,还须进一步研究相分离结构内部的电荷输送等。而且,电荷输送和耐久性,与材料纯度有很大的依赖关系,故从材料精加工方面考虑,也应予以验证。

激励子向整块异质结结构内部扩散,到达p-n结界面之际的电子受体分子,其电子拔出强度对OTFSC的电荷生成很重要。氧化钛和氧化锌等金属氧化物具有电子受容性(从有机分子拔出电子的氧化作用),图3所示,由金属氧化物和π共轭高分子形成异质结接合界面,藉此可以构成太阳能电池。这一场合下,通过金属氧化物强烈的氧化作用,在π共轭高分子内形成了多数阳离子游离基。作为迅速地空穴输送,阳离子游离基有利于正电荷的形成。金属氧化物的氧化作用与π共轭高分子的空穴移动程度,在时间上差异小最理想。

图3采用多孔质金属氧化物的OTFSC

3.2开路电压的改善

有机薄膜太阳能电池的电压被认为是:起因于π共轭高分子的HOMO(最大占有分子轨道)级与电子受体分子的LUMO(最小非占有分子轨道)级之级差。以图1为例,对应于两个能级的级差,实际得到的开路电压0.6V相当小,考虑是电压损耗等若干原因。可大致区分为基于内部阻抗的Ω损耗和基于电荷再结合(逆向流动的漏泄电流)损耗。

一般的太阳能电池能,用图4所示等值电路表示。从这一等值电路可知,串联阻抗大和并联阻抗小、电流泄露的场合下,从外部取出的电压降低,从而,应尽可能减小相当于串联阻抗的界面接触电阻和电极薄片阻抗等。而且,生成的电荷有助于有机薄膜的内部电场,并各自输送空穴和电子。整块异质结的结构,对π共轭高分子与电子受体分子两方面与电极接合的可能性大,产生反向电流的可能性高。

图4OFTSC的等值回路

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