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太阳能聚合物电池工作原理

2019-06-12

太阳能聚合物电池的工作原理,当具有合适能量的光子通过ITO玻璃照射到光敏活性层上时,光敏活性层上的给体或受体材料吸收光子产生激子,然后激子扩散到给体/受体界面并且在那里发生电荷分离,进而在给体上产生空穴和在受体上产生电子,然后空穴沿给体传递到阳极并被阳极收集,电子沿受体传递到阴极并被阴极收集,最终产生光电流和光电压。

太阳能聚合物电池工作原理

基于给体/受体方式的太阳能聚合物电池的光伏效应示意图


给体和受体材料的吸光性能、给体的空穴迁移率,受体的电子迁移率,以及其最高占有轨道(HOMO)和最低空轨道(LLUMO)能级的位置对有机光伏器件的性能有着很重要的影响。对于电子能级而言,给体材料应该具有比较高的LUMO和HOMO能级,而受体材料却应该具有较低的LUMO和HOMO能级,这样才能保证在给体/受体界面上、给体中激子在LUMO能级上的电子可以自发地传递到受体的LUMO能级上,受体中激子在HOMO能级上的空穴可以自发地传递到给体的HOMo能级上,从而实现电荷的分离。

简而言之,聚合物太阳能电池的光电转换可以简化为以下4个过程:

太阳能聚合物电池的工作机理图

太阳能聚合物电池的工作机理图

(1)给体受到光激发产生激子,

(2)激子扩散到D/A界面

(3)激子在D/A界面分离形成一个电子-空穴对

(4)自由载流子在外部电极运输和收集。

太阳能聚合物电池的结构

太阳能聚合物电池的结构

如图所示:本体异质结型聚合物太阳能电池器件的组成:下层是IT0玻璃作为正极,上层是Ca/A1等金属电极作为负极,中间是由共聚合物给体材料和富勒烯衍生物(PCBM)受体材料的共混膜作为光活性层。其中,共辄聚合物的结构对聚合物太阳能电池的效率有着关键的影响。



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