有机太阳能电池

有机太阳能电池 (OSC) 或塑料太阳能电池是一种使用有机电子学的光伏电池，有机电子学是处理导电有机聚合物或小有机分子的电子学分支，用于光吸收和电荷传输，以通过光伏发电从太阳光中发电 影响。 大多数有机光伏电池是聚合物太阳能电池。

有机太阳能电池中使用的分子可在高通量下进行溶液处理并且价格便宜，从而降低了制造大体积的生产成本。 结合有机分子的灵活性，有机太阳能电池在光伏应用中具有潜在的成本效益。 分子工程可以改变带隙，从而实现电子可调性。 有机分子的光吸收系数很高，所以用少量的材料就可以吸收大量的光，通常在几百纳米的数量级。 与无机光伏电池如硅太阳能电池相比，有机光伏电池的主要缺点是效率低、稳定性低和强度低。

与基于硅的设备相比，聚合物太阳能电池重量轻（这对于小型自主传感器很重要）、可能是一次性的且制造成本低廉（有时使用印刷电子）、灵活、可在分子水平上定制并且可能对环境的不利影响较小。 聚合物太阳能电池还具有表现出透明性的潜力，建议应用于窗户、墙壁、柔性电子设备等。聚合物太阳能电池的缺点也很严重：它们提供大约 1/3 的 硬材料的效率，并经历大量的光化学降解。

聚合物太阳能电池的低效率和稳定性问题，加上低成本和高效率的承诺，使其成为太阳能电池研究的热门领域。

光伏电池是一种专门的半导体二极管，可将光转换为直流 (DC) 电。 根据吸光材料的带隙，光伏电池还可以将低能红外 (IR) 或高能紫外 (UV) 光子转换为直流电。 在光伏中用作吸光材料的小分子和聚合物（图 3）的一个共同特征是它们都具有大的共轭体系。 形成共轭系统，其中碳原子与交替的单键和双键共价键合。 这些碳氢化合物的电子pz轨道离域并形成离域键合π轨道和π*反键轨道。 离域 π 轨道是最高占据分子轨道 (HOMO)，而 π* 轨道是最低未占分子轨道 (LUMO)。 在有机半导体物理学中，HOMO 充当价带，而 LUMO 充当导带。 HOMO 和 LUMO 能级之间的能量分离被认为是有机电子材料的带隙，通常在 1-4 eV 的范围内。

所有能量大于材料带隙的光都可以被吸收，尽管减少带隙需要权衡，因为吸收的能量高于带隙的光子会热释放出多余的能量，从而导致电压降低 和功率转换效率。 当这些材料吸收光子时，会产生激发态并将其限制在分子或聚合物链的区域中。 激发态可被视为激子，或通过静电相互作用结合在一起的电子-空穴对。

在光伏电池中，激子被有效场分解成自由电子-空穴对。 通过在两种不同材料之间创建异质结来建立有效场。 在有机光伏中，有效场通过使电子从吸收体的导带落到受体分子的导带来分解激子。 受体材料的导带边缘必须低于吸收材料的导带边缘。

聚合物太阳能电池通常由氧化铟锡 (ITO) 导电玻璃顶部的电子或空穴阻挡层组成，然后是电子供体和电子受体（在体异质结太阳能电池的情况下）、空穴或电子阻挡层 层和顶部的金属电极。 阻挡层的性质和顺序——以及金属电极的性质——取决于电池是遵循规则的还是倒置的器件架构。