Органический солнечный элемент или пластиковый солнечный элемент — это тип фотогальваники, который использует органическую электронику, отрасль электроники, которая занимается проводящими органическими полимерами или небольшими органическими молекулами, для поглощения света и переноса заряда для получения электричества от солнечного света благодаря фотогальваническому эффекту. Большинство органических фотоэлектрических элементов представляют собой полимерные солнечные элементы.

Молекулы, используемые в органических солнечных элементах, обрабатываются с высокой пропускной способностью и дешевы, что приводит к низким издержкам производства для изготовления большого объема. В сочетании с гибкостью органических молекул органические солнечные элементы потенциально экономически эффективны для фотогальванических применений. Молекулярная инженерия (например, изменение длины и функциональной группы полимеров) может изменить ширину запрещенной зоны, что позволяет осуществлять электронную перестройку. Коэффициент оптического поглощения органических молекул высок, поэтому большое количество света может поглощаться небольшим количеством материалов, обычно порядка сотен нанометров. Основными недостатками, связанными с органическими фотогальваническими клетками, являются низкая эффективность, низкая стабильность и низкая прочность по сравнению с неорганическими фотоэлектрическими клетками, такими как кремниевые солнечные элементы.

По сравнению с устройствами на основе кремния полимерные солнечные элементы являются легкими (что важно для небольших автономных датчиков), потенциально одноразовыми и недорогими для изготовления (иногда с использованием печатной электроники), гибкими, настраиваемыми на молекулярном уровне и потенциально менее неблагоприятными для окружающей среды. Полимерные солнечные элементы также могут проявлять прозрачность, предлагая приложения в окнах, стенах, гибкой электронике и т. Д. Примерное устройство показано на рисунке 1. Недостатки полимерных солнечных элементов также серьезны: они предлагают около 1/3 эффективность твердых материалов и существенное фотохимическое разложение.

Проблемы с неэффективностью и устойчивостью полимерных солнечных элементов в сочетании с их обещанием низких затрат и повышенной эффективностью сделали их популярным полем в исследованиях солнечных элементов. По состоянию на 2015 год полимерные солнечные элементы смогли достичь более 10% эффективности через тандемную структуру.

физика
Фотоэлектрическая ячейка представляет собой специализированный полупроводниковый диод, который преобразует свет в электрический ток постоянного тока. В зависимости от запрещенной зоны светопоглощающего материала фотогальванические элементы могут также преобразовывать низкоэнергетические, инфракрасные (ИК) или высокоэнергетические ультрафиолетовые (УФ) фотоны в электричество постоянного тока. Общей характеристикой как малых молекул, так и полимеров, используемых в качестве светопоглощающего материала в фотовольтаиках, является то, что все они имеют большие сопряженные системы.Конъюгированная система образуется там, где атомы углерода ковалентно связаны с чередующимися одинарными и двойными связями. Эти электроны электронных электронов pz орбиталей делокализуют и образуют делокализованную связанную π-орбиталь с π * -связывающей орбиталью. Делокализованная π-орбиталь является наивысшей занятой молекулярной орбиталью (HOMO), а π * -орбитал является самой низкой незанятой молекулярной орбиталью (LUMO). В органической полупроводниковой физике HOMO играет роль валентной зоны, а LUMO служит зоной проводимости. Разделение энергии между уровнями энергии HOMO и LUMO считается запрещенной зоной органических электронных материалов и обычно находится в диапазоне 1-4 эВ.

Весь свет с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны материала, может быть поглощен, хотя существует компромисс для уменьшения ширины запрещенной зоны, поскольку поглощенные фотонами энергии выше, чем ширина запрещенной зоны, будут термически выделять ее избыточную энергию, приводя к снижению напряжения и эффективность преобразования энергии. Когда эти материалы поглощают фотон, создается возбужденное состояние и ограничивается молекулой или областью полимерной цепи.Возбужденное состояние можно рассматривать как экситон или электронно-дырочную пару, связанную вместе электростатическими взаимодействиями. В фотогальванических ячейках экситоны делятся на свободные электронно-дырочные пары эффективными полями.Эффективные поля создаются путем создания гетероперехода между двумя разнородными материалами. В органических фотогальванических эффектах эффективные поля разрушают экситоны за счет того, что электрон падает из зоны проводимости поглотителя в зону проводимости акцепторной молекулы. Необходимо, чтобы акцепторный материал имел край зоны проводимости, который ниже, чем материал поглотителя.

Полимерные солнечные элементы обычно состоят из электронного или дырозащитного слоя поверх проводящего стекла оксида индия-олова (ITO), за которым следуют донор электронов и акцептор электронов (в случае объемных гетеропереходов солнечных элементов), дырочная или электронная блокировка слой и металлический электрод сверху. Характер и порядок блокирующих слоев, а также характер металлического электрода зависят от того, следует ли ячейке следовать обычной или инвертированной архитектуре устройства. В перевернутой ячейке электрические заряды выходят из устройства в противоположном направлении, как в обычном устройстве, потому что положительный и отрицательный электроды меняются на противоположные. Перевернутые ячейки могут использовать катоды из более подходящего материала; инвертированные OPV имеют более длительный срок службы, чем обычно структурированные OPV, но обычно они не достигают эффективности, столь же высокой, как и обычные OPV.

В объемных гетеропереходах полимерных солнечных элементов свет генерирует экситоны.Последующее разделение заряда на границе раздела между донором электронов и акцепторной смесью в активном слое устройства. Затем эти заряды переносятся на электроды устройства, где заряды протекают вне ячейки, выполняют работу и затем снова вводят устройство на противоположной стороне. Эффективность клетки ограничена несколькими факторами, особенно рекомбинацией негеминантов. Подвижность отверстия ведет к более быстрой проводимости через активный слой.

Органические фотовольтаики изготовлены из электронных донорных и электронных акцепторных материалов, а не из полупроводниковых pn-переходов. Молекулы, образующие электронодонорную область органических PV-клеток, где генерируются экситонные электронно-дырочные пары, обычно представляют собой конъюгированные полимеры, обладающие делокализованными π-электронами, которые являются результатом гибридизации углеродных p-орбиталей. Эти π-электроны могут возбуждаться светом в видимой части спектра или вблизи видимой части спектра от самой высокой занятой молекулярной орбитали молекулы (HOMO) до самой низкой незанятой молекулярной орбитали (LUMO), обозначаемой π-π * -переходом. Энергетическая запрещенная зона между этими орбиталями определяет, какая длина волны (волн) света может быть поглощена.

В отличие от неорганического кристаллического материала фотоэлементов с его зонной структурой и делокализованными электронами экситоны в органических фотовольтаиках сильно связаны энергией от 0,1 до 1,4 эВ. Это сильное связывание происходит потому, что электронные волновые функции в органических молекулах более локализованы, и поэтому электростатическое притяжение может удерживать электрон и дырку вместе как экситон.Электрон и дырка могут быть диссоциированы, создавая границу раздела, по которой уменьшается химический потенциал электронов. Материал, поглощающий фотон, является донором, а материал, приобретающий электрон, называется акцептором. На фиг.2 полимерная цепь является донором, а фуллерен является акцептором. Даже после диссоциации электрон и дыра все еще могут быть соединены как «геминатная пара», и тогда для их разделения требуется электрическое поле. Электрон и отверстие должны собираться при контактах. Если подвижность носителей заряда недостаточна, носители не доходят до контактов и вместо этого рекомбинируют в местах захвата или остаются в устройстве как нежелательные космические заряды, которые противостоят потоку новых носителей. Последняя проблема может возникнуть, если подвижности электронов и дырок не совпадают. В этом случае ограниченный объемный фототок (SCLP) препятствует работе устройства.

Органические фотовольтаики могут быть изготовлены с использованием активного полимера и акцептора электронов на основе фуллерена. Освещение этой системы видимым светом приводит к переносу электронов из полимера в молекулу фуллерена. В результате образование фотоиндуцированной квазичастицы или полярона (Р +) происходит на полимерной цепи, и фуллерен становится радикальным анионом (С-
60). Полароны очень мобильны и могут распространяться.

Типы соединений
Простейшее органическое фотоэлектрическое устройство имеет плоский гетеропереход.Пленка из органического активного материала (полимер или малая молекула), типа донора электронов или акцептора электронов зажата между контактами. Экситоны, созданные в активном материале, могут диффундировать перед рекомбинацией и раздельными, дырками и электронами, диффундирующими к его конкретному собирающему электроду. Поскольку носители заряда имеют диффузионные длины всего 3-10 нм в типичных аморфных органических полупроводниках, плоские ячейки должны быть тонкими, но тонкие ячейки поглощают свет менее хорошо. Малочисленные гетеропереходы (BHJ) обращаются к этому недостатку. В BHJ смесь электронных донорных и акцепторных материалов отливают в виде смеси, которая затем разделяется фазой. Регионы каждого материала в устройстве разделены только несколькими нанометрами, что подходит для диффузии носителей. BHJ требуют чувствительного контроля над морфологией материалов на наномасштабе. Важными переменными являются материалы, растворители и весовое соотношение донор-акцептор.

Следующим логическим шагом за пределами BHJ являются упорядоченные наноматериалы для солнечных элементов или упорядоченные гетеропереходы (OHJ). OHJ минимизирует изменчивость, связанную с BHJ. OHJ обычно представляют собой гибриды упорядоченных неорганических материалов и органических активных областей. Например, фотовольтаический полимер может быть осажден в поры в керамике, такой как TiO2. Поскольку отверстия все еще должны диффундировать длину пор через полимер до контакта, OHJs имеют аналогичные ограничения по толщине. Смягчение узкого места для мобильности отверстий является ключом к дальнейшему повышению производительности устройства OHJ.

Одиночный слой
Однослойные органические фотовольтаические ячейки являются простейшей формой. Эти ячейки изготавливаются путем сэндвича слоя органических электронных материалов между двумя металлическими проводниками, обычно слоем оксида индия-олова (ITO) с высокой функцией работы и слоем с низким рабочим металлом работы, таким как алюминий, магний или кальций. Продемонстрирована основная структура такой ячейки.

Разность рабочих функций между двумя проводниками устанавливает электрическое поле в органическом слое. Когда органический слой поглощает свет, электроны будут возбуждаться в LUMO и оставлять дырки в HOMO, тем самым образуя экситоны. Потенциал, создаваемый различными рабочими функциями, помогает разделить пары экситонов, вытягивая электроны на положительный электрод (электрический проводник, используемый для контакта с неметаллической частью контура) и отверстия на отрицательном электроде.

Градуированный гетеропереход
Электронный донор и акцептор смешиваются таким образом, что градиент является постепенным. Эта архитектура сочетает короткое расстояние прохождения электрона в диспергированном гетеропереходе с преимуществом градиента заряда двухслойной технологии.

Непрерывный переход
Подобно градуированному гетеропереходу концепция непрерывного перехода направлена ​​на реализацию постепенного перехода от донора электронов к акцептору электронов. Однако акцепторный материал получают непосредственно из донорного полимера на стадии модификации после полимеризации.

производство
Поскольку его активный слой в значительной степени определяет эффективность устройства, морфология этого компонента получила большое внимание.

Если один материал более растворим в растворителе, чем другой, он будет осаждаться сначала поверх подложки, вызывая градиент концентрации через пленку. Это было продемонстрировано для устройств метилового сложного эфира поли-3-гексилтиофена (P3HT), фенил-C61-масляной кислоты (PCBM), где ПХБ имеет тенденцию накапливаться к дну устройства при нанесении покрытия из растворов ODCB. Этот эффект проявляется в том, что более растворимый компонент имеет тенденцию мигрировать к фазе «обогащенный растворителем» во время процедуры покрытия, накапливая более растворимый компонент по направлению к дну пленки, где растворитель остается дольше. Толщина генерируемой пленки влияет на сегрегацию фаз, поскольку динамика кристаллизации и осаждения различна для более концентрированных растворов или более высокой скорости испарения (необходимой для создания более толстых устройств). Кристаллическое обогащение P3HT ближе к электроду для сбора дырок может быть достигнуто только для относительно тонких (100 нм) слоев P3HT / PCBM.

Градиенты в исходной морфологии затем в основном генерируются скоростью испарения растворителя и различиями в растворимости между донором и акцептором внутри смеси. Эта зависимость от растворимости была четко продемонстрирована с использованием производных фуллерена и P3HT. При использовании растворителей, которые испаряются более медленными темпами (как хлорбензол (CB) или дихлорбензол (DCB)), вы можете получить более высокие степени вертикального разделения или агрегации, в то время как растворители, которые испаряются быстрее, производят гораздо менее эффективное вертикальное разделение. Большие градиенты растворимости должны приводить к более эффективному вертикальному разделению, тогда как меньшие градиенты должны приводить к более однородным пленкам. Эти два эффекта были проверены на солнечных элементах P3HT: PCBM.

Также изучалась скорость испарения растворителя, а также процедуры парного пара или термического отжига. Такие смеси, как P3HT: PCBM, по-видимому, выигрывают от процедур термического отжига, в то время как другие, такие как PTB7: PCBM, похоже, не приносят никакой пользы. В P3HT преимущество, по-видимому, связано с увеличением кристалличности фазы P3HT, которая генерируется путем вытеснения молекул PCBM изнутри этих доменов.Это было продемонстрировано путем изучения ПМСМ-совместимости в P3HT, а также изменений состава доменов в зависимости от времени отжига.

Вышеприведенная гипотеза, основанная на смешиваемости, не полностью объясняет эффективность устройств, поскольку исключительно чистые аморфные фазы либо донорных, либо акцепторных материалов никогда не существуют в объемных гетеропереходах. В документе за 2010 год было высказано предположение о том, что текущие модели, предполагающие чистые фазы и дискретные интерфейсы, могут потерпеть неудачу при отсутствии чистых аморфных областей. Поскольку текущие модели предполагают разделение фаз на интерфейсах без какого-либо учета фазовой чистоты, возможно, потребуется изменить модели.

Процедура термического отжига варьируется в зависимости от того, когда она применяется.Поскольку миграция вертикальных видов частично определяется поверхностным натяжением между активным слоем и воздухом или другим слоем, отжиг до или после осаждения дополнительных слоев (чаще всего металлический катод) влияет на результат. В случае солнечных элементов P3HT: PCBM вертикальная миграция улучшается, когда клетки отжигаются после осаждения металлического катода.

Накопление доноров или акцепторов рядом с соседними слоями может быть полезным, поскольку эти накопления могут привести к эффектам блокировки отверстий или электронов, которые могут принести пользу производительности устройства. В 2009 году было показано, что разница в вертикальном распределении на солнечных элементах P3HT: PCBM вызывает проблемы с подвижностью электронов, что в конечном итоге приводит к очень низкой эффективности устройства. Простые изменения в архитектуре устройства — скручивание тонкого слоя PCBM поверх P3HT — значительно повышают воспроизводимость ячейки, обеспечивая воспроизводимое вертикальное разделение между компонентами устройства.Поскольку более высокий контакт между PCBM и катодом необходим для повышения эффективности, это в значительной степени повышает воспроизводимость устройства.

Согласно анализу рассеяния нейтронов, смеси P3HT: PCBM были описаны как «реки» (области P3HT), прерванные «потоками» (области ПХБМ).

Эффекты растворителя
Условия покрытия спином и испарения влияют на эффективность устройства. Растворитель и добавки влияют на морфологию донор-акцептор. Добавки замедляют испарение, приводя к образованию более кристаллических полимеров и, таким образом, улучшают проводимость и эффективность дырок. Типичные добавки включают 1,8-октандитиол, ортодихлорбензол, 1,8-дийодоктан (DIO) и нитробензол. Эффект DIO объясняется селективной солюбилизацией компонентов PCBM, существенно изменяет среднее скачкообразное расстояние электронов и, таким образом, улучшает подвижность электронов. Добавки также могут привести к значительному повышению эффективности полимеров. Для солнечных элементов HXS-1 / PCBM эффект коррелировал с генерированием заряда, транспортом и устойчивостью к полке.Другие полимеры, такие как PTTBO, также значительно выигрывают от DIO, достигая значений PCE более 5% от около 3,7% без добавки.

Полимерные солнечные элементы, изготовленные из хлорнафталина (CN) в качестве сорастворителя, обладают более высокой эффективностью, чем те, которые изготовлены из более обычного чистого раствора хлорбензола. Это связано с тем, что морфология донора-акцептора изменяется, что уменьшает разделение фаз между донорным полимером и фуллереном. В результате это означает подвижность высоких дыр. Без сорастворителей большие домены фуллереновой формы уменьшают фотоэлектрические характеристики ячейки из-за агрегации полимера в растворе. Эта морфология происходит от жидкофазного разделения фаз во время сушки; решение испарения приводит к тому, что смесь входит в область спинодали, где имеются значительные тепловые флуктуации. Большие домены не позволяют эффективно собирать электроны (уменьшая PCE).

Небольшие различия в структуре полимера также могут привести к значительным изменениям в упаковке кристаллов, которые неизбежно влияют на морфологию устройства. PCPDTBT отличается от PSBTBT, вызванным различием в мостиковом атоме между двумя полимерами (C против Si), что подразумевает, что с PCPDTBT достижимы лучшие морфологии: солнечные элементы PCBM, содержащие добавки, в отличие от системы Si, которая обеспечивает хорошие морфологии без помощи дополнительные вещества.

Самостоятельные ячейки
Супрамолекулярная химия была исследована с использованием донорных и акцепторных молекул, которые собираются при спин-литье и нагревании. Большинство супрамолекулярных сборок используют малые молекулы. Донорные и акцепторные домены в трубчатой ​​структуре идеальны для органических солнечных элементов.

Диблочные полимеры, содержащие фуллерен, дают стабильные органические солнечные элементы при термическом отжиге. Солнечные элементы с заранее разработанными морфологиями при введении соответствующих надмолекулярных взаимодействий.

Прогресс на ППГ, содержащих производные политиофена, дает солнечные элементы, которые собираются в четко определенные сети. Эта система имеет PCE 2,04%. Водородное связывание направляет морфологию.

Эффективность устройства, основанная на подходах сополимера, еще не пересекается с барьером 2%, тогда как устройства с объемной гетеропереходностью демонстрируют эффективность & gt; 7% в конфигурациях с одним соединением.

Фуллерен-привитые блок-сополимеры стержневой катушки были использованы для изучения организации домена.

Супрамолекулярные подходы к органическим солнечным элементам обеспечивают понимание макромолекулярных сил, приводящих к разделению доменов.

Инфракрасные полимерные клетки
Инфракрасные камеры преимущественно поглощают свет в инфракрасном диапазоне, а не в видимых длинах волн. С 2012 года такие клетки могут быть сделаны почти на 70% прозрачными для видимого света. Предполагается, что клетки могут быть изготовлены в больших объемах по низкой цене с использованием обработки раствора. Инфракрасные полимерные элементы могут использоваться в качестве дополнительных компонентов портативной электроники, интеллектуальных окон и встроенных фотоэлектрических элементов. В качестве верхних электродов используются серебряные нановолоконные / титановые диоды, заменяющие обычные непрозрачные металлические электроды. Благодаря этой комбинации была достигнута 4% -ная эффективность преобразования энергии.

Эффективность преобразования мощности
Одной из основных проблем, связанных с полимерными солнечными батареями, является эффективность конверсии низкой мощности (PCE) из изготовленных ячеек. Для того, чтобы считаться коммерчески жизнеспособными, PSC должны быть способны достичь эффективности не менее 10-15% — это уже намного ниже, чем неорганические PV. Однако из-за низкой стоимости полимерных солнечных элементов эффективность на 10-15% является коммерчески жизнеспособной.

PCE (η) пропорциональна произведению тока короткого замыкания (АО), напряжения разомкнутой цепи (VOC) и коэффициента заполнения (FF).

Где Pin — падающая солнечная энергия. Недавние достижения в работе полимерных солнечных элементов вызваны сжатием запрещенной зоны для повышения тока короткого замыкания при снижении максимальной занимаемой молекулярной орбиты (HOMO) для увеличения напряжения разомкнутой цепи. Однако PSC по-прежнему страдают от низких коэффициентов заполнения (обычно ниже 70%). Однако с 2013 года исследователи смогли изготовить PSC с коэффициентами заполнения более 75%. Ученым удалось выполнить через инвертированный BHJ и использование нетрадиционных комбинаций донора / акцептора.

коммерциализация
Полимерные солнечные элементы до сих пор не конкурируют с кремниевыми солнечными батареями и другими тонкопленочными ячейками. Текущая эффективность полимерных солнечных элементов составляет около 10%, что значительно ниже кремниевых элементов.Полимерные солнечные элементы также страдают от ухудшения состояния окружающей среды, не имеют эффективных защитных покрытий.

Для повышения диффузии носителей заряда необходимы дальнейшие улучшения производительности; транспорт должен быть усилен путем контроля порядка и морфологии; и разработка интерфейса должна быть применена к проблеме переноса заряда через интерфейсы.

В настоящее время ведется работа по использованию тандемной архитектуры с целью повышения эффективности использования полимерных солнечных элементов. Как и в случае с неорганической тандемной архитектурой, ожидается, что органическая тандемная архитектура повысит эффективность. По сравнению с одноконтактным устройством, использующим материалы с низкой полосой пропускания, тандемная структура может уменьшить потери тепла при преобразовании фотонов в электрон.

Полимерные солнечные элементы широко не выпускаются коммерчески. Начиная с 2008 года Konarka Technologies начала производство полимер-фуллереновых солнечных элементов.Исходные модули были 3-5% эффективны и продолжались всего несколько лет. С тех пор Konarka подала заявку на банкротство, поскольку эти полимерные солнечные элементы не смогли проникнуть на рынок PV.

Моделирование органических солнечных элементов
Как обсуждалось выше, органические полупроводники представляют собой сильно разупорядоченные материалы без дальнего порядка. Это означает, что полосы проводимости и края валентной зоны не определены четко. Кроме того, этот физический и энергетический беспорядок генерирует ловушки, в которых фотогенерированные электроны и дырки могут попасть в ловушку, а затем в конечном итоге рекомбинировать.

Ключом к точному описанию органических солнечных элементов в модели устройства является включение захвата носителей и рекомбинации через состояния ловушки.Общепринятым подходом является использование модели эффективной среды, где стандартными уравнениями диффузии дрейфа используются описания транспорта через устройство. Затем вводится экспоненциальный хвост состояний ловушки, который распадается на запрет зоны от краев подвижности. Для описания захвата / выхода из этих состояний ловушки можно использовать Shockley-Read-Hall (SRH). Было показано, что механизм Shockley-Read-Hall способен воспроизводить поведение полимера: фуллерена как во временной области, так и в устойчивом состоянии.

Текущие проблемы и недавний прогресс
Трудности, связанные с органическими фотовольтаическими клетками, включают их низкую внешнюю квантовую эффективность (до 70%) по сравнению с неорганическими фотоэлектрическими устройствами, несмотря на хорошую внутреннюю квантовую эффективность; это связано с недостаточным поглощением активными слоями порядка 100 нанометров. Неустойчивость к окислению и восстановлению, перекристаллизация и изменение температуры также могут привести к деградации устройства и снижению производительности с течением времени. Это происходит в разной степени для устройств с различными составами и является областью, в которой происходят активные исследования.

Другими важными факторами являются длина диффузии экситона, разделение заряда и сбор зарядов, на которые влияет присутствие примесей.

Перевозка носителей заряда и транспорт
В особенности для объемных гетеропереходов солнечные элементы, понимание транспорта носителей заряда жизненно важно для повышения эффективности органических фотоэлектрических элементов. В настоящее время объемные гетеропереходные устройства имеют несбалансированную подвижность носителей заряда, при этом подвижность дырок по меньшей мере на порядок ниже, чем подвижность электронов; это приводит к накоплению пространственного заряда и уменьшению коэффициента заполнения и эффективности разговора мощности устройства. Из-за низкой подвижности эффективные объемные фотоэлементы с гетеропереходами должны быть спроектированы с использованием тонких активных слоев, чтобы избежать рекомбинации носителей заряда, что отрицательно сказывается на поглощении и масштабируемости при обработке. Моделирование показало, что для того, чтобы иметь объемный гетеропереходный солнечный элемент с коэффициентом заполнения выше 0,8 и внешним квантовым КПД выше 90%, необходимо обеспечить сбалансированную подвижность носителей заряда, чтобы уменьшить эффект пространственного заряда, а также увеличение несущей заряда подвижность и / или уменьшение константы скорости бимолекулярной рекомбинации.

Влияние морфологии пленки
Как описано выше, диспергированные гетеропереходы донорно-акцепторных органических материалов обладают высокой квантовой эффективностью по сравнению с плоским гетеропереходом, поскольку в дисперсных гетеропереходах более вероятно, что экситон найдет интерфейс в пределах его диффузионной длины. Морфология пленки также может оказать резкое влияние на квантовую эффективность устройства. Грубые поверхности и наличие пустот могут увеличить сопротивление серии, а также вероятность короткого замыкания. Молекула пленки и, как результат, квантовая эффективность может быть улучшена путем отжига устройства после покрытия его металлическим катодом толщиной ~ 1000 Å.Металлическая пленка поверх органической пленки применяет напряжения на органической пленке, что помогает предотвратить морфологическую релаксацию в органической пленке.Это дает более плотно упакованные пленки и в то же время позволяет сформировать разделенный фазой взаимопроникающий донорно-акцепторный интерфейс внутри основной части органической тонкой пленки.

Контролируемый гетеропереход роста
Разделение заряда происходит на донорно-акцепторном интерфейсе. Во время движения к электроду заряд может быть захвачен и / или рекомбинировать в неупорядоченном взаимопроникающем органическом материале, что приводит к снижению эффективности устройства. Контролируемый рост гетероперехода обеспечивает лучший контроль над позициями донорно-акцепторных материалов, что приводит к значительно большей энергоэффективности (отношение выходной мощности к входной мощности), чем у плоских и сильно дезориентированных гетеропереходов (как показано на рисунке). Таким образом, выбор подходящих параметров обработки для лучшего управления структурой и морфологией пленки является весьма желательным.

Прогресс в методах роста
В основном органические пленки для фотогальванических применений осаждаются спиновым покрытием и парофазным осаждением. Однако каждый метод имеет определенные обратные спины, технология нанесения покрытий может покрывать большие площади поверхности с высокой скоростью, но использование растворителя для одного слоя может ухудшить уже существующий полимерный слой. Другая проблема связана с рисунком подложки для устройства в качестве результатов спин-покрытия для покрытия всей подложки одним материалом.

Вакуумное термическое испарение
Другим методом осаждения является вакуумное термическое испарение (ВТЭ), которое включает нагрев органического материала в вакууме. Субстрат расположен на расстоянии нескольких сантиметров от источника, так что испарившийся материал может быть непосредственно нанесен на подложку, как показано на рисунке. Этот метод полезен для осаждения многих слоев различных материалов без химического взаимодействия между различными слоями. Однако иногда возникают проблемы с равномерностью однородности пленки и равномерным легированием на подложках большой площади. Кроме того, материалы, которые осаждаются на стенке камеры, могут загрязнять последующие осадки.Эта техника «прямой видимости» также может создавать отверстия в пленке из-за затенения, что приводит к увеличению числа последовательностей устройств и короткого замыкания.

Нанесение органических паров
Органическое осаждение из паровой фазы (OVPD) позволяет лучше контролировать структуру и морфологию пленки, чем вакуумное термическое испарение. Процесс включает испарение органического материала над подложкой в ​​присутствии инертного газа-носителя. Полученную морфологию пленки можно настроить путем изменения скорости потока газа и температуры источника. Равномерные пленки можно выращивать путем снижения давления газа-носителя, что увеличит скорость и длину свободного пробега газа, а в результате уменьшит толщину пограничного слоя. Клетки, произведенные OVPD, не имеют проблем, связанных с загрязнением от хлопьев, выходящих из стенок камеры, поскольку стенки являются теплыми и не позволяют молекулам прилипать и наносить на них пленку.

Другим преимуществом по сравнению с VTE является однородность скорости испарения. Это происходит потому, что газ-носитель становится насыщенным паром органического материала, выходящего из источника, а затем движется к охлажденной подложке, фиг.6 (b). В зависимости от параметров роста (температуры источника, базового давления и потока газа-носителя) осажденная пленка может быть кристаллической или аморфной по своей природе.Устройства, изготовленные с использованием OVPD, показывают более высокую плотность тока короткого замыкания, чем у устройств, изготовленных с помощью VTE. Дополнительный слой донорно-акцепторного гетероперехода в верхней части ячейки может блокировать экситоны, позволяя проводить электроны; что приводит к повышению эффективности клеток.

Органические солнечные чернила
Органические солнечные чернила способны обеспечить более высокую производительность в условиях флуоресцентного освещения по сравнению с аморфными кремниевыми солнечными батареями и говорят о том, что плотность внутренней плотности на 30-40% больше по сравнению со стандартной органической солнечной технологией.

Захват света
Различные типы компонентов применяются для увеличения эффектов захвата света (света в сочетании) в тонких органических солнечных элементах. В дополнение к гибкости органических солнечных элементов, используя гибкие электроды и подложки вместо ITO и стекла соответственно, могут быть созданы полностью гибкие органические солнечные элементы. Благодаря такому использованию гибких подложек и субстратов вводятся более простые способы обеспечения эффектов захвата света для ОПВ, такие как полимерные электроды со встроенными рассеивающими частицами, нанопечатные полимерные электроды, узорчатые ПЭТ-подложки и даже оптическая дисплейная пленка, предназначенная для жидкокристаллических дисплеев (ЖКД) как подложки. Будет проведено большое количество исследований для повышения эффективности OPV с целью упрощения процесса обработки легкого захвата.

Использование в тандемных фотогальваниках
Недавние исследования и исследования были проведены при использовании органического солнечного элемента в качестве верхней ячейки в гибридном тандемном стекле солнечных батарей. Поскольку органические солнечные элементы имеют более высокий запрет на разрыв, чем традиционные неорганические фотоэлектрические элементы, такие как кремний или CIGS, они могут поглощать фотоны с более высокой энергией, не теряя большую часть энергии из-за термализации, и, следовательно, работают при более высоком напряжении.Более низкие фотоны энергии и фотоны более высоких энергий, которые не абсорбируются, проходят через верхний органический солнечный элемент и затем поглощаются нижней неорганической ячейкой. Органические солнечные элементы также растворяются при низких температурах с низкой стоимостью 10 долларов за квадратный метр, что приводит к печати верхней ячейки, что улучшает общую эффективность существующих технологий неорганических солнечных батарей. Было проведено много исследований, позволяющих создать такой гибридный тандемный блок солнечных элементов, включая исследования по осаждению полупрозрачных электродов, которые поддерживают низкое контактное сопротивление при высокой прозрачности.