新型ZnO纳米棒/聚合物混合型太阳电池(3)

图3 ITO/TiO2/CuPc/P3HT/Au器件结构（a）和能带结构示意图（b）

　　CuPc是一种有机小分子，禁带宽度为1.6 eV，并且光吸收系数高，吸收谱也较宽，可以作为太阳电池中吸收层的辅助材料（图3）。CuPc可通过真空蒸镀，厚度为20 nm。从能带结构中可以看出，CuPc吸收光能后产生的电子可以输运到TiO2电极上，同时空穴可以注入到P3HT的LUMO能级，而P3HT中产生的电子可以注入CuPc的LUMO能级或者直接注入半导体电极的导带，在这一结构中，P3HT和CuPc的协同作用提高了光吸收效率。

　　P. Ravirajan 等^[21]制备研究了ITO/ZnO/Z907:P3HT/PEDOT:PSS/Au 结构的全固态有机太阳电池（图4）。Z907是一种两性材料，充当桥梁作用改善了P3HT 和ZnO 的界面特性：其一端的两个羧基具有亲水性，容易吸附在ZnO表面；另一端的疏水基团容易与P3HT 相结合。结果表明Z907 处理之后的ZnO 纳米棒阵列界面复合率大大降低。Z907的引入形成了多带隙结构增加了光谱响应，同时从能带相对位置可见，Z907 能向半导体电极注入电子以及接纳P3HT注入的电子，同时还能阻挡P3HT 中的空穴向半导体电极输运，起到了空穴阻挡层的作用，提高了器件的效率。

图4 Z907 分子结构图（a）及ITO/ZnO/Z907:P3HT/PEDOT:PSS/Au 器件能带结构图（b）

　　PDI材料在P3HT：ZnO纳米颗粒薄膜混合体异质结结构中也有研究报道，其作用原理和Z907类似。荧光光谱出现了明显的猝灭，表明PDI的加入能够提高激子的分离效率，同时从吸收谱中可知，吸收谱线的宽度和强度都有所增大。

　　有机太阳电池的效率受到光吸收材料的光谱响应，以及光生载流子的产生和输运两个因素的制约。要制备高效率器件必须优化器件结构和材料选择、改善工艺条件，减弱上述两个因素的制约。

（1）增强光谱响应

　　常用的无机半导体ZnO和TiO2能带比较宽，只能吸收较短波段的光谱，其余光谱的能量须通过添加的有机层来吸收。因此，制备高吸收系数、窄能带的有机半导体是提高器件光谱响应的主要措施。采用能带结构匹配的多组分材料形成多带隙结构来提高太阳光的利用率是行之有效的途径。同时各种处理工艺也应进行优化以提高薄膜的光学、电学特性。

（2）增强激子的分离和输运

　　激子分离大部分发生在材料界面上，采用纳米棒阵列和体异质结结构都能增大界面面积以便激子的分离。同时，多组分材料的选择时要注意能级的匹配，以提供激子分离的内在驱动力。有机半导体中激子扩散长度短、迁移率低，因此有机薄膜不宜太厚，否则将会增大内阻，不利于载流子输运。此外，半导体电极和有机薄膜的形貌、导电性、杂质、缺陷率等需严格控制以减少载流子的复合。低缺陷率、高迁移率的无机半导体电极和有机半导体材料将极大改善载流子输运效率。改进器件结构也可在一定程度上增加材料的载流子迁移率。

5.总结

　　有机薄膜具有质量轻、光吸收系数高、禁带宽度容易调节、可制备柔性器件、成本低廉和环境污染小等诸多优点，在光电器件中的运用日益广泛。作为一种新型太阳电池结构，目前无机/有机混合型太阳电池相关理论机理和制备技术有待逐步发展和成熟，能量转换效率和稳定性同已经发展了半个多世纪的晶体硅太阳电池相比仍还具有一定差距，但是有机/无机太阳电池自身潜在的优异性以及随着各种提高效率的新材料、新结构的研究不断取得新进展，其应用前景将是非常广阔的。