有機太陽能電池

有機太陽能電池 圖片來自xoer

有机太阳能电池是成分全部或部分为有机物的太阳能电池 ，他们使用了导电聚合物或小分子用于光的吸收和电荷转移。有机物的大量制备、相对价格低廉，柔软等性质使其在光伏应用方面很有前途。通过改变聚合物等分子的长度和官能团可以改变有机分子的能隙，有机物的摩尔消光系数很高，使得少量的有机物就可以吸收大量的光。相对于无机太阳能电池，有机太阳能电池的主要缺点是较低的能量转换效率，稳定性差和强度低。

目录

有机太阳能电池的材料

太阳能电池是一个特别的半导体二极管，它可能将可见光能转化为直流电，一些太阳能电池可能转化红外和紫外光的能量为直流电。通常用于有机光伏电池的材料都是有大量共轭键的，共轭键是由交替碳碳单键和双键组成的，共轭键的电子的简并轨道是离域的，形成了离域成键轨道π轨道和反键轨道π*。离域π键是最高占据轨道(HOMO)，反键轨道π*是最低未占据轨道(LUMO)。HOMO和LUMO的能级差被认为是有机电子材料的带隙，带隙一般在1-4 eV。

当这些材料吸收了一个光子，就形成了激发态，并被局限在一个分子或一条聚合物的链，激发态可以被看作是在静电力作用结合的一个电子和空穴，也就是激发子，简称激子。在光伏电池中，激子在不同物质的异质结形成的有效场中成为自由的电子空穴对，有效场使电子从吸光体（也就是电子给体）的导带降到受体分子的导带上从而破坏了激子，因此电子受体材料的导带边界，也就是它的LUMO必须低于吸光体材料。

工作原理

以有機太陽能電池結構，可區分成單層及雙層（或稱異質接面）太陽能電池。單層主要以陽極，有機材料及陰極所組成。而雙層主要以陽極，可當電子予體有機材料，可當電子受體有機材料及陰極所組成。 有機太陽能電池其發光原理，以電子予體/受體異質接面（electro donor-acceptor heterojunction）元件結構為例,首先予體（donor）接收光，光激發生成電子電洞對（electron-hole pair）或可稱為激子（exciton）。當激子擴散至Donor-Acceptor介面，激子將分解成獨立傳導的電子及電洞。由於donor及acceptor兩者的LUMO、HUMO能階差異的關係，電子會往acceptor材料，而電洞則往donor材料傳遞。接著透過電極，經由外電路，生成電流。

不論是小分子或高分子有機材料，他們都具有共同特性：高共軛系統這些pz軌域非定域化電子混成形成一非定域化π及π＊軌域。其中非定域化π軌域為HOMO，而非定域化π＊軌域為LUMO。而兩者的能階差，被認為是有機導電材料的能隙，而通常能隙值約為1~4 eV。一般而言，延長有機分子共軛碳鏈長度，可降低能隙值。有機太陽能電池仍然有許多發展空間，例如藉由有機分子設計，研究出更適合的感光層材料，使其能更充分利用到太陽光能中各種光波段的能量；發展出使載子移動率更快的材料，使其電子-電洞對分離的效率能提升；改善元件的光吸收率，使其轉換效率大幅提升。

分类

依有機材料不同特性，有機太陽能電池又可區分為:

• 染料敏化太陽能電池（dye-sensitized solar cells，DSSC），1991年瑞士聯邦理工學院的M. Graumltzel教授的研究團隊，發明具光敏性質之染料吸附於半導體奈米多孔洞結構之TiO2電極，搭配具有氧化-還原性質(I– / I3-)之電解液，製作出光電轉換效率高達7 %之染料敏化太陽能電池，目前這種電池的光電轉換效率最高已超過 11%，其發展潛力備受矚目。
• 小分子有機太陽能電池（Molecular Solar Cells）。
• 高分子有機太陽能電池（polymer solar cells），1981 年時A. Takahashi研究團隊最早將共軛高分子材料使用於製作太陽能電池。目前高分子有機太陽能電池常用的材料為聚 3-己烷基噻吩（poly (3-hexylthiophene), P3HT） 聚合物半導體（p 型材料）、苯基-C61 丁酸甲酯 (phenyl-C61-butyric acid methylester, PCBM)（n 型材料）所組成。其做法是將這兩種有機半導體材料以溶劑溶解後進行混合，而後再塗佈到元件上。均勻混合後的 pn 介面面積能有效提高，增加激子被拆解的機會而提升電池效率。

優缺點

太陽能電池主要目的是將光能轉換成電能。而有機太陽能電池主要係以具有半導體性質之有機材料製作，其優點：

1. 製造成本低
2. 化合物結構可設計性
3. 材料質輕
4. 加工性能好
5. 製造大面積的太陽能電池及大量生產
6. 高吸光係數
7. 具有可撓曲，半透明等特性。

但目前亦有多項缺點待克服，如功率轉換效率低，載子遷移率低，高電阻，耐久性差等問題。