日本制成由一种有机半导体组成的太阳电池

2012-06-29本刊

电源技术 2012年9期

本刊陈梅

日本科学研究机构—分子科学研究所(IMS)的平本昌宏教授研究小组，在以往研究成果的基础上，成功开发出用单一有机半导体材料富勒烯(C60)分子单独形成薄膜，成功制成p-n同质结的有机半导体太阳电池，已得到验证。

开发背景

太阳电池是一种将太阳能转变为电能的器件，到目前为止，单晶硅、多晶硅和非晶硅及硫化镉等无机太阳电池占据了太阳电池市场的主要地位，但是他们都有工艺复杂、价格昂贵、材料要求苛刻等特点，促使人们寻找廉价的替代品，而有机薄膜太阳电池由于其具有轻薄、低成本、可卷曲、可大规模制备等潜在的优点而受到科研工作者的极大关注。而近几年来有机薄膜太阳电池的性能得到了很大的提高，这些进步主要是通过合成新的材料，优化器件结构，即使用异质结、混合层组装结构、激子阻挡层，叠层结构和高掺杂晶体材料等，因此材料的选择和结构的优化已经成为提高器件性能的有效方法。

有机太阳电池不使用硅，而是使用有机半导体来制造太阳电池技术。各研究单位都力求克服比硅体系太阳电池转换效率低的缺陷，寻求高性能化的有机半导体的物理性能。特别是为了设计制造出期望的单体性能，对有机太阳电池电压生成的起因、有机半导体的物理学，带隙科学的研究是十分必要的。

原理及制作过程

有机太阳电池光敏层一般含有电子给体和电子受体两种材料。电子给体具有低电离势和高的最高占有分子轨道能级，以利于接受和传输空穴，因此是一种有机p型材料；电子受体有高电子亲合势和低的最低未占有分子轨道能级，以利于接受和传输电子，是一种有机n型材料。有机太阳电池的结构如图1所示。正极一般是镀有ITO的玻璃，电子给体和受体依次涂覆或者真空蒸镀在ITO上面，然后在有机层上蒸镀一层低功焓金属作为负极，一般为Al、Ag等，由此组成一个完整的电池。电池的工作原理为太阳光由玻璃面照射到电池上，通过透明的ITO进入有机层，给体在吸收光子后，电子跃迁，产生紧密结合的电子-空穴对。只有当激子扩散到电子给体与受体界面间形成的p-n结处，由于给体能级比受体高，电子转移到受体上，空穴留在给体上，产生自由的电子和空穴，然后电子和空穴借助于正负极材料不同功函引起的内建电场，分别由受体与给体传输到相应的电极表面，最后被电极收集，产生光电流。

图1 双层结构有机太阳电池的结构示意图

研究小组近期使用掺杂的方法制作出有机半导体p-n结，富勒烯(C60)中掺杂氧化钼MoO3采用共同真空蒸镀的方法进行掺杂，作为电池的p型有机材料。用三种不同物质同时蒸镀，用计算机进行精密控制，即用慢速蒸镀的方法，蒸镀膜的厚度能被准确地控制，掺杂浓度能容易地控制在百万分之一的水平。

因富勒烯分子轨道的能量特性，具有强大的电子接受能力，在有机太阳电池中作为常用的电子受体，作为优秀的n型有机半导体，成为有机太阳电池必选材料。为了将富勒烯p型化，对其进行了氧化钼MoO3的掺杂，此次研究进一步将富勒烯掺杂了钙，进行n型化。如图2所示。

图2 富勒烯C60和掺杂物（MoO3或Ca）的共同蒸镀演示图

使用MoO3作为掺杂剂将富勒烯进行p型化，并使用Ca作为n型化时的掺杂剂。工程不停地持续轮换操作，掺杂的浓度可由计算机控制在10－6的水平。由这种方法得到的共蒸镀膜n型和p型费米能级的调查结果显示，掺杂MoO3的p型富勒烯C60的费米能级(EF)为5.88 eV，掺杂Ca的n型富勒烯C60的费米能级(EF)为4.49 eV，没有掺杂的富勒烯C60的费米能级(EF)为4.6 eV。

图3为富勒烯C60中掺杂氧化钼或钙的样品照片和掺杂想象图，这两种掺杂在本质上类似于硅。通过掺杂控制费米能级，必将减少MoO3与p型C60(Ag与n型C60)间两个电极界面间抵制，得到高性能。

图4为掺杂氧化钼的p型化富勒烯C60和掺杂钙的n型化C60费米能级测定结果，费米能级高的为n型，低的为p型。研究小组利用掺杂MoO3的p型化及掺杂Ca的n型化蒸镀工艺连续轮换操作，制成的电池构造如图5所示。这种电池的能量结构通过费米能级差显示了电压，来体现有机半导体的新概念，如图6所示。

图3 富勒烯C60中掺杂氧化钼或钙的样品照片和掺杂想象图

图4 掺杂氧化钼的p型化富勒烯C60和掺杂钙的n型化C60费米能级测定结果

图5 制成的电池结构

用实际光进行照射，确认同一电池中通过p-n结有电流及电压的产生。其光生电的特性及结果如图7所示。

图7的结果证明单独利用富勒烯C60，掺杂MoO3进行p型化，掺杂Ca进行n型化的p-n同质结成功产生电流，证明由一种有机半导体构成的有机薄膜太阳电池制作成功。图8为此种电池的p-n同质结的电流电压特性。

p-n同质结的位置可根据需要自由变换的工艺已获成功。因此引起光生电的活性区域可以根据p-n同质结的位置移动得到确认。研究小组介绍，这一重要技术在自由设计电池方面具有重要意义。图9为各种位置时的p-n同质结电池与活性领域的位置。

p-n结是半导体基本的结构方式，此次研究成果是有机太阳电池利用了无机体系的太阳电池p-n结，pin结等结构，设计成可自由控制能量的制作方式。以往的研究结果，共蒸镀膜的方法所产生的光电流急剧地增加，而使用p-n结可控的方法能够了解全过程。研究小组认为今后通过进一步的研究，有可能开发出与硅晶体太阳电池转换效率接近的有机太阳电池。