有机光电池的未来外文翻译资料

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有机光电池的未来

Katherine A. Mazzio and Christine K. Luscombe*

摘要：伴随全球对能源日益增长的需求、化石燃料的不断消耗和人们对这些能源成本的精打细算，这些推动了政治界、学术界和工业界对可替代能源的兴趣。作为低成本的依靠太阳光发电的装置，基于有机半导体的光电池的出现带给了人们希望。有机光电池在一些科技作品中担任着能源驱动的作用，我们在这篇综述中讨论了他们之间的联系。我们然后讨论了这些装置的基础性质，包括材料的需求，从历史的角度来阐述这个领域的发展。我们也简要讨论了未来可能的发展方向。整篇综述旨在对这个领域的进展做一个基本的概述，并讨论有机光电技术的发展前景。

主要学习点：

1.为什么我们对有机光伏器件感兴趣，它们是否仍有重要意义？

2.光电过程是怎样的，如何评测器件性能？

3.最常用的器件构型，活性层中的给受体材料是什么？

4.活性层形貌的重要性如何，我们如何控制它？

5.在有机光伏器件的商业化过程中，哪些困难是我们需要优先去考虑的？

1. 背景介绍

因为化石燃料越来越难获得，并且人们对温室效应有了更深入的理解，为了缓解全球对化石燃料的需求，人们对可再生能源的兴趣日益增长。根据科学家预测，到2040年，全球能源的消耗会从2010年的17 TW增长到27 TW。通过减少使用化石燃料，对能源利用效率的提高和储存技术的改良可以改善全球能源的结构。显而易见的是，在可再生能源上的投资对于满足未来全球能源的需求是非常重要的。光伏技术是正在使用的较为成熟的发电技术。图1展示了一系列光伏技术能达到的最高的效率，其中效率最高的是无机多结电池（达到44 %），而单晶硅电池效率超过25 %，多晶硅电池效率超过20 %。尽管这些高效率很诱人，然而效率不是用来决定这些技术是否能够使用的唯一条件。或许这些技术是否能够大规模使用的最重要的因素是他们的成本。因为微电子产业也需要硅，这些无机光伏技术有着获取原料的劣势，另外材料毒性强，生产成本高，再加上安装费用高（与这些电池的重量挂钩）。基于pi;共轭聚合物和小分子的有机光伏技术这些年引发了越来越深厚的兴趣，因为他们展示了一系列诱人的性质。这些包括适宜的电子性质和组成的多种多样，同时较低的生产和安装成本（因为轻质量），溶液加工性能好，可以大范围使用。

在评价和比较这些光伏技术的过程中，与能量转换效率一样，有两个标准非常实用，他们分别是平准化成本（LCOE）和他们的能量偿还时间（EPBT）。平准化成本是用来比较不同类型能源成本的差别，它是总成本和创造的能量总值决定的。总成本包括构造，维护，回收等等。

影响LCOE的因素包括效率，成本，以及太阳能电池的寿命，还有劳动力成本以及其他一些间接成本。LCOE高度依赖政策，比如投资税收减免能够驱动不同可替代能源的成本降低到与传统化石能源到同一水平线上。由于不同种的无机太阳能电池技术的相对成熟，他们的LCOE并不能够与传统的化石燃料竞争，因此技术需要提高。有机太阳能电池技术有着高生产和材料低沉本的优势，因此能够显著降低他们的生产成本。另外的，他们轻质的特点可以使组件安装更简易，减少运输费用，使LCOE减小，即使不比传统化石燃料价格低，也更加具有竞争能力。

太阳能电池的EPBT是器件来制造一定量的能量（与制造和回收器件所需要的能量的总量）所需要的时间。同种无机光伏技术的EPBT已经被深刻探究，许多针对于有机光伏技术的EPBT的研究也正在如火如荼的进行。这些计算决定了EPBT作为制造它所需要的能量与它能制造的能量的比值。为了这样做，已经做了许多推测，包括一个平均的全球数据1700 kWh m^-2和有机光伏器件平均15年的寿命，低于无机光伏器件预测的20-30年的寿命。这些计算把每个组件的能量效率考虑在内（体现了当前无机光伏技术器件的加工水平，和可预测的有机光伏器件的效率）。更成熟的科技，比如单晶和多晶硅光伏技术，它们的EPBT已经估计。相比较，有机光伏的EPBT，因为它们是正在蓬勃发展而更难预估，已经被预测了。至于更多的细节，有兴趣的读者可以阅读Espinosa一篇最近的文章。然而对于有机光伏预测的效率相当低，想比较它们的竞争对手，它们还是具有一个更小的EPBT。这是一个相同的优点来减少它们的LCOE：想比较无机光伏，更容易的加工技术和更少的材料加工费用。

现在，有机光伏展示了低效率和电池稳定性、大面积加工等一系列问题。从历史的角度看，有机光伏器件的性能伴随材料设计和材料加工的突破而变好。在这片文章中，我们尝试从一个历史的角度来发现有机光伏领域的进步，进而讨论那些有机光伏商业化过程中需要重点注意的问题。

1. 装置的工作原理

2.1 光电过程

有机太阳能电池的光电过程有别于无机太阳能电池。对于有机材料而言，能量大于带隙的光子的吸收致使自由载流子的产生以及在p-n结处分离，它们能够在一个内电场的作用下运输到电极两端。相较无机材料而言，有机材料有着更低的介电常数，可以防止在库仑力作用下的电子和空穴分离。这导致了激子的产生，或者说是库仑力束缚下的电子空穴对，而不是自由载流子。为了这些激子能够在电场中有效工作，他们必须先解离成自由载流子。如果激子不能够在激子的寿命期间解离，激子会衰退到它的原态，导致吸收能量的损失。在有机太阳能电池中，激子解离发生在同时具有电子给体和电子受体类似于p-n结的电池中。电子给体通常具有较大的电子解离能，而电子受体一般具有较高的电子亲和能。

图二显示了用来描述有机太阳能电池的基础能级图。中性有机材料的解离能是转移一个电子从它的最高被占据轨道（HOMO）到真空所需要的能量。电子亲和能（EA）是衡量材料是否能够作为电子受体的参数，经常作为有机材料的LUMO能级。共轭的有机材料的HOMO与LUMO能级之间的带隙是使电子从HOMO能级转移到LUMO能级的最小能量。图2.b显示了有机太阳能电池中阴极和阳极的功函数，以及Delta;IP和Delta;EA，对于理解传输机理有着重要意义。图3提供了有机太阳能电池光电过程的一个简单示意图，我们可以把这个过程分为4个步骤。在光吸收后，第一个步骤，一个电子能够从给体的HOMO能级解离到LUMO能级，形成激子。第二步，通过一个化学梯度，这个激子必须转移到给受体的界面上，在这个地方，电子能够转移到受体材料的LUMO能级上，形成一个电荷传输的复杂体，如果Delta;EA大于激子的结合能的话，这个过程会比较容易发生。能量传输的过程一般在几百meV的能级上，依赖于所使用的材料，一些被吸收的能量超过激子结合能的部分会损失。这个通过理论上最大能够得到的电压来体现，这个值大约是给体的HOMO能级与受体的LUMO能级之差，这体现了一个重要的材料设计的考虑。CT态能够被描述为在给受体界面上被库仑力作用的电荷载流子，CT态的能量高度依赖于电荷载流子的库伦吸引力，换而言之，分开它们之间的距离。CT态能够成为电荷被分开的状态，或者说自由载流子，在电子和空穴之间的距离大于库伦半径的时候，光电作用的第3步会发生。但是，如果不能够脱离库伦半径，孪生电子对就会在给受体界面复合，这是一个与自由载流子生成的互相竞争的过程。任何解离的电荷能够被传输到电极两端，空穴被阴极收集，电子被阳极收集，正如图4所示。

　　在有机太阳能电池中，最终的损失在于复合，自由电荷载流子的复合和没有解离的载流子，这是一个与电荷传输相互竞争的过程。在有机太阳能电池中，一个重要的过程是最小化能量和电荷的损失以提高电池的效率。然而激子解离的过程比描述的复杂的多，这些简化的机理对于形成一个概念很有帮助。一些更加细节的揭示，读者可以在Clarke和Durrant于2010年发表的综述中寻找。

2.2光电效应的表征

　　所有的光电器件都是光二极管，能够吸收入射光产生电流和电压，如图4.a所示。总而言之，当正向偏压作用于二极管时，对于电流会有一个指数性的增加；当一个反向偏压作用于二极管时，会有一个很小的饱和电流与所施电压呈线性关系。在黑暗中，几乎没有电流可以产生除非很大的正向偏压，在理想情况下，所施加的偏压与电流的关系见公式2。

其中Jdark是光二极管黑暗中的电流强度，J0是反向饱和电流，q是基本电子电荷，V是所施加偏压，kB是玻尔兹曼常数，T是绝对温度。

在光照之下，J-V曲线转移，等同于光电流J的值，电池能够产生能量。最大能量点（MP）是J-V曲线上光电流和电压的乘积的最大值。在短路电流（J_sc）的情况下，电流是在一个最大值，没有偏压。Jsc与每个光吸收的步骤的效率密切相关，包括光吸收的效率，激子扩散，激子解离，电荷传输和电荷收集。开路电压Voc没有电流，这是电池的最大的电化学势能的点。无机太阳能电池的Voc由p结和n结的费米能级之差决定，而对于有机太阳能电池而言，这个值与给体材料的HUMO能级与受体材料的LUMO能级之差有关。图4b是光二极管在黑暗中和在光照中的J-V曲线。

对于有机太阳能电池而言，最重要的就是电池效率。eta;_e是最大电池效率，P_m是电池产生的最大的入射光能量，P_in是由公式3定义。

其中FF是填充因子，由公式4定义。

其中J_MP是最大能量点的光电流，V_MP是最大能量点处的电压。FF告诉我们电荷能够多么容易从电池中移出来，它经常被描述为J-V曲线中正方形的大小。有许多因素能够影响FF因子。串联和并联的电阻是两个重要的因素影响电池的性能。当这些被考虑在内的时候，根据基尔霍夫定律，等价的电流模型能够被数学上描述为总电流，正如公式5。

其中J_SH是分路电流，R_s是串联电阻，R_SH是分路电阻，R_s包括电池每一层的电阻和层与层之间的电阻。理想情况下，R_H会是O，允许所有的电流通过二极管。R_SH是电池中电流泄露的结果，通常作为捕捉状态，小孔，和边缘效应的结果。最大化R_SH是比较好的，这样在等效电路模型中就没有电流通过电阻器，在理想情况下，R_SH是无限大的。

内量子效率EQE是用来衡量在一个特定波长光照下多少电流能够产生的参数。它通过收集的光照产生的电子和入射光子的总数的比值获得。它大概是吸收一个光子会产生一个电子能够在电路中流动的能力。EQE描述了在光电过程中4个主要步骤的总效率。如公式6所示。

其中eta;_abs是光子吸收的效率，eta;_diff是激子扩散到给受体界面的效率，eta;_CT是电荷转移的效率，eta;_coll是电荷收集的效率。EQE的值越接近1就说明了在一个给定的波长的情况下，复合的损失越小。增加复合或者反射的损失会降低EQE的值。

从历史角度来看，太阳能电池的测试条件并没有标准化，因为测试条件的矛盾之处，在早期的文献里存在着一系列的不符合事实的数据。太阳能电池现在的测试条件已经标准化了，这是由美国材料测试协会ASTM制定的。简而言之，实验室测试是在AM 1.5 G太阳能光谱（正如图5所示），入射光能量1000 W m^-2。AM 1.5 G太阳光谱代表了在中纬地区年度平均太阳能辐射，考虑到1.5倍的地球大气层厚度。相比较而言，AM 1.5 D太阳光谱是专门为了太阳能收集而设计的，入射能量900 W m^-2，包括不仅仅从太阳的直接辐射，还包括围绕太阳的成分。所有的这些标准光谱都明显减少了光谱辐射，与大气层顶部相比较，那儿是AM 0太阳能光谱，入射能量为1366 W m^-2。

1. 电池构造

因为有机材料倾向于需要一个能量补偿来解离激子，使用单层构造的尝试显得相对不成功，因为这些单层结构的器件提供的效率在0.1 %这个级别甚至更低。Tang课题组在1979年引入了双层给受体活性层的概念。这些双层结构主要被解离长度所约束，激子只能在给受体界面产生，并且寿命要足够长在界面处解离。这个工作给其他给受体构筑开辟了道路，包括溶液加工的体异质结结构，最初由Yu课题组在1995年使用富勒烯作为受体报道，这个至今还是被认可作为活性层构筑的手段。体异质结结构依赖我们寻找一个电荷生成和转移的平衡，它被电荷载流子的寿命所约束。图6给我们提供了三种常见的有机太阳能电池的构筑，包括标准的体异质结，反向的体异质结，和串联结构，其中每一种都有着自己的好处，也都有着改善的空间。

在一个典型的体异质结太阳能电池中，活性层像三明治一样夹在阳极和阴极中间，如图6左所示。标准构造中，空穴传输到阴极，电子传输到阳极。在这种情况下阴极一般是一种基质被高功函数透明的传导电极包覆，在阴极和活性层之间，用让空穴通过阻碍电子的材料夹在其中。在有机太阳能电池领域，最常见的电极材料是在玻璃基质上的ITO，用40 nm左右的PEDOT:PSS修饰作为界面层。这些材料都是比较好的，因为它们比较大的透光性和比较好的电荷传输能力。但是，这个组合也存在着不少的问题，玻璃和ITO都很脆不适宜卷对卷加工，铟这个材料也比较贵和稀有，PEDOT:PSS有酸性会腐蚀器件。阳极一般用低功函数的金属，在金属电极和活性层中间有电子选择层。最常用的阳极就是铝，最常用的中间层随时间演变，随着Ca中间层的盛行，LiF开始衰落。Al电极非常受欢迎，因为它有着低功函数和高反射性，但是低功函数给它非常高的还原性，导致它可能与聚合物进行反应，或者和

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