光伏器件和太阳能电池

研究背景

全球气候变化的见证，如北极冰川的融化等；大气污染；化石燃料危机的出现。因此新能源的开发与研究成为解决社会能源问题的重要举措，太阳能被认为是可再生的清洁能源。地球每小时接受的太阳能，相当于整个世界一年所消耗的总能量。

太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般是本征半导体。光具有粒子性，收到光子的碰撞，轨道上的电子被电子撞出，变成自由电子。脱离轨道的电子所留下来的空穴被附近移来的电子填充。移走电子的位置现在变成了空穴，它再被附近的电子填充，空穴就以这样的方式在晶体内移动。

PN结的各种能级跃迁过程

1辐射吸收：光子的能量大于半导体材料的能隙，被价带中电子吸收，电子跃迁到导带，产生电子一空穴对（激子）。

2非辐射跃迁：电子从导带中不稳定的高能级跃迁到同样在导带中相对稳定的低能级，释放红外光（热振动）.

3电子的漂移：由于p-n结固有的内建电场，光生电子从p型半导体向n型半导体漂移，光生电场减弱内建电场。

4形成电流：光生电子通过n型半导体进入电极，在电路中形成电流。

5自发辐射：导带上一部分不稳定的电子也会自发跃迁到低能级的价带，并释放出光子。

半导体硅（单晶、多晶、非晶、复合型等）

化合物半导体（GaAs、 CuIn Se2、cdTe、InP等）

有机半导体（酞菁铜、聚噻吩、聚对苯乙撑等）

染料敏化太阳能电池（染料+纳米Tio2等）

有机半导体产生的电子和空穴束缚在激子（excitons）之中，电子和空穴在界面（电极和导电聚合物的结合处）上分离。

特点：价格低易成型、通过化学修饰，调控性能。

能带结构：有机材料不能形成很好的晶格，因此没有完美的能带，而是用最高占有态（HOMO）和最低未占有态（LUMO）描述。电子和空穴在材料中是跳跃移动。

激子：有相互作用的电子空穴对。材料吸收光不直接产生分离的电子空穴对，电子和空穴之间有相互作用，需要借助外场分离。有机材料中激子扩散距离约为10-20nm.

◆有机激子： Frenke-type，结合能_{1eV，Bohr半径}1nm.

◆无机激子： Wannier-Mott-type，结合能_{10meV，Bohr半径}10nm.

体异质结：不同类型半导体材料接触形成异质结。有机太阳能电池主要通过混合旋涂的方法制备，在空间上n、p两种材料均匀混合，形成的异质结在空间上均匀分布，因此叫体异质结。

有机局限（矛盾）：

提高吸光效率：增厚有机层

提高电流效率：减薄有机层（激子扩散程~5-15nm）

界面异质结→体相异质结

优势：柔性器件，透明器件

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