学术干货 | 解剖专业好文——说说有机太阳能电池的重要参数及表征

亲爱的小伙伴们，上一次我们谈了《TEM好基友— Digital Micrograph功能及使用教程》

这一次我们来谈一谈未来欧洲杯线上买球 的发展方向——有机太阳能电池！

一、有机太阳能电池器件的五个重要参数

有机太阳能电池主要的性能参数包括：光电转换效率（Power Conversion Efficiency，简写为PCE）、开路电压（Open-circuit Voltage，简写为V_OC）、短路电流（Short-circuit Current Density，简写为J_SC）、填充因子（Fill Factor，简写为FF）和外量子效率（External Quantum Efficiency，简写为EQE）。如图1-3（b）所示，光伏性能的优劣主要体现在PCE的数值上，而PCE的数值与V_OC、J_SC、FF这三个参数紧密相关。

图1-3（a）活性层给受体材料能级解析示意图（b）电流电压曲线图

1）开路电压，V_OC

V_OC是太阳能电池外电路断开或电流为零时的电压，即是最大输出电压（图1-3（b））,是J-V曲线中横坐标为0时纵坐标所对应的数值。一般V_OC值越大，其PCE值越大。V_OC与D-A材料的类型、配比、器件结构等有关。对于单层器件，V_OC由正负电极的功函之差所决定；然而对于本体异质结结构器件，V_OC主要取决于给体的HOMO能级和受体的LUMO能级的能级之差，即E2（图1-3（a））。

2）短路电流，J_SC

J_SC是太阳能电池上施加电压为零时外电路上的电流密度（图1-3（b）），是J-V曲线中纵坐标为0时横坐标所对应的数值。一般J_SC值越大，其PCE值越大。J_SC与器件的制备工艺和D-A材料类型有关，如D-A材料的配比、添加剂的种类、退火、界面修饰等均可影响J_SC的数值。

3）填充因子，FF

FF为在一定负载下太阳能电池提供的最大功率与V_OC、J_SC乘积之比，它表示器件能够对外界提供的最大输出功率的能力参数，图1-3（b）：

FF = (V_max×J_max)/(V_OC×J_SC) = P_max/(V_OC×J_SC) （式1-1）

其中，V_max和J_max分别为最大输出功率点P_max的电压和电流。FF是考量电池输出性能的一个重要参数，其FF值越大，PCE值就越大。

4）光电转换效率，PCE

PCE表明了入射光的能量有多少可以转化成有效的电能，是P_max（最大输出功率）与P_in（入射单色光功率）的比值：

PCE = P_max/P_in= (V_OC×J_SC×FF)/P_in（式1-2）

由于有机太阳能电池中给体材料的光谱响应范围比较窄，在太阳光下的能量转化效率要低于其单色光照射下的能量转化效率。由此可知，要获得高的PCE，就要调控好V_OC、J_SC、FF的值。材料的类型和纯度、器件结构及制备方法均可能影响电池的PCE。

5）外量子效率，EQE

EQE是指对特定波长电池收集电子数和器件所吸收光子数的比值：

EQE=1240×J_SC/(λ×P_in) （式1-3）

要取得高的PCE，高的EQE是必要条件。EQE可以反映对不同波长单色光的吸收效应。改善给体材料对太阳光谱的吸收性能、提高载流子的收集效率、增强激子的扩散能力均有利于EQE的提高。

二、表征太阳能电池材料手段

以文中材料（见文后参考文献）P1、P2、 P3为例，说明有机太阳能电池的表征方法。

1、聚合物（P1-P3）的热学性能

聚合物的热学性能通过TGA曲线进行表征，参见图2-3所示。聚合物P1、P2和P3出现5%失重的温度分别为334 °C、337 °C和336 °C，聚合物有良好的热稳定性，保证了太阳能电池器件的使用寿命。

图2-3聚合物（P1-P3）在升温速率为10 °C min^-1、氮气条件下的TGA曲线

2、聚合物（P1-P3）的光学性能

图2-4显示了聚合物（P1-P3）在氯仿溶液和旋涂薄膜的吸收光谱图，相应数据参见表2-2。三个聚合物在550~620 nm范围中显示了两个吸收峰。

图2-4聚合物（P1-P3）在三氯溶液（a）及固态薄膜（b）状态下的紫外-可见（UV-vis）吸收光谱

表2-2聚合物（P1-P3）的光学性能和电子能级

根据光学带隙的计算公式计算得到聚合物P1、P2和P3的光学带隙（E_g^opt）分别为1.79 eV、1.81 eV和1.78 eV。从表2-2中可以看出，没有共轭侧链的聚合物P1、有着半共轭侧链的聚合物P2和P3、共轭侧链聚合物P4有着相似的光学性能。

3、聚合物（P1-P3）的电化学性能

用CV曲线研究聚合物或有机小分子的电化学性能，以获得聚合物或有机小分子的HOMO与LUMO的能级值。使用标准的三电极进行测试（工作电极：涂有聚合物或有机小分子薄膜的玻碳电极；对电极：铂丝；参比电极：Ag/AgCl电极；电解液：0.1 mol/L Bu₄NPF₆/CH₃CN）。在室温、氮气气氛、50 mv/s条件下得到所测物质的CV曲线（图2-5）

图2-5聚合物（P1-P3）的循环伏安曲线图

如图2-5所示，聚合物（P1、P2、P3）的起始氧化电位分别为1.01 V、1.10 V、0.93 V，对应的HOMO能级为-5.43 eV、-5.52 eV、-5.35 eV，三个聚合物（P1、P2、P3）都展示了相对较低的HOMO能级。

4、聚合物（P1-P3）的光伏性能

为研究聚合物（P1、P2、P3）的光伏性能，用新合成的聚合物（P1、P2、P3）作为D，富勒烯衍生物PC₆₁BM作为A，按照不同的比例共混作为活性层制成体异质结太阳能电池。PC₆₁BM被用在太阳能电池器件的活性层中以形成D-A类型的体异质结结构，有利于电荷在D-A界面的转移，进而加强其光伏性能。图2-6为聚合物与PC₆₁BM在最优比为1:1的条件下的J-V曲线图，相对应的数据参见表2-3。

表2-3基于聚合物（P1-P3）和PC₆₁BM混合膜的太阳能电池的光伏性能

图2-6退火前（a）和100 °C退火后（b）在聚合物和PC₆₁BM的比例为1:1条件下的J-V曲线

通过测试在最优条件下（聚合物：PC₆₁BM=1:1，P3退火处理）的电池器件的EQE曲线来确定聚合物（P1、P2、P3）J_SC的准确性，详见图2-7。从图中得知基于聚合物（P1、P2、P3）的电池器件在300到700 nm之间都表现出了光响应。通过EQE曲线，计算出电池器件的J_SC（P1: 7.16 mA/cm²，P2: 3.72 mA/cm²，P3: 4.47 mA/cm²），与J-V曲线获得的J_SC（P1: 7.31 mA/cm²，P2: 3.82 mA/cm²，P3: 4.52 mA/cm²）基本一致，从而保证了测量的有效性。

图2-7在最优条件下相应器件的外量子效率曲线

5、材料的空穴迁移率

为了进一步研究基于垂悬噻吩侧链的聚合物在光伏性能上的差异，通过空间限制电流的方法（SCLC）测试相应器件的空穴迁移率。测试结果详见图2-8。

较高的空穴迁移率有利于空穴在活性层中的传输，能够有效地提高太阳能电池的J_SC和FF值。

6、聚合物（P1-P3）的形貌研究

用AFM调查聚合物/PC₆₁BM混合薄膜的形貌，进一步了解聚合物（P1-P3）电池器件性能之间的差异。

图2-9聚合物（P1-P3）在最优条件下的原子力显微镜形貌(ace)及相分离(bdf)图像，图像尺寸4×4微米

三、有机太阳能电池面临的机遇与挑战

机遇

有机太阳能电池具有如下优点：

（1）化学可变性大，原料来源广泛；

（2）有多种途径可改变和提高材料光谱吸收能力，扩展光谱吸收范围，并提高载流子的传 送能力；

（3）加工容易，可采用旋转法、流延法大面积成膜，还可进行拉伸取向使极性分子规整排 列，采用LB膜技术在分子生长方向控制膜的厚度；

（4）容易进行物理改性，如采用高能离子注入掺杂或辐照处理可提高载流子的传导能力， 减小电阻损耗提高短路电流；

（5）电池制作的结构多样化；

（6）价格便宜。有机高分子半导体材料的合成工艺比较简单，如酞菁类染料早已实现工业 化生产，因而成本低廉。这是有机太阳能电池实用化最具有竞争能力的因素。

（7）可降解，对环境的污染小。

挑战

然而与无机硅太阳能电池相比，有机太阳能电池在转换效率、光谱响应范围、电池的稳定性方面，有机太阳能电池还有待提高。各种研究表明，决定光电效率的基本损失机制主要有：

1.半导体表面和前电极的光反射；

2.禁带越宽没有吸收的光传播越大；

3.由高能光子在导带和价带中产生的电子和空穴的能量驱散；

4.光电子和光空穴在光电池的光照面和体内的复合；

5.有机染料的高电阻和低的载流子迁移率。

综合来看，有机太阳能电池依旧面临着光电转化效率低，成本较高，难以大面积应用生产等难题，亟待科研人员继续努力探索发现！

本文由材料人编辑部学术干货组 大宋 供稿，欧洲足球赛事 编辑整理。

参考文献：

"Novel pendent thiophene side‐chained benzodithiophene for polymer solar cells."Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry53.13 (2015): 1558-1566.

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