現(xiàn)今占主導地位的太陽能電池是以無機半導體為主要材料制成，自太陽能電池商業(yè)應用以來，單晶硅、多晶硅和非晶硅系列應用最為廣泛。經(jīng)過多年來的發(fā)展，硅基太陽能電池相關的技術已有了長足的進步，但依然沒有脫離通過氧化-還原反應來提純硅的方法，這一過程必然會使晶體硅太陽能電池制造能耗大、污染高、工藝復雜且生產(chǎn)設備昂貴。而有機半導體材料由于具有制作成本低、易制作、質量輕、富有彈性等特點，引起越來越多的關注，目前學者已在研究如何在電子器件中將現(xiàn)有的昂貴無機半導體材料用有機半導體材料加以取代，其中就包括有機太陽能電池的研究。

有機太陽能電池的實現(xiàn)主要依賴于有機半導體材料中的光電轉換功能。這些材料都有著一個共同的電子結構，即共軛n電子。由碳原子的單鍵和雙鍵交替形成的體系成為共軛體系。在共軛體系中，每一個碳原子有幾個等價的相互作用較強的a電子和一個相互作用較弱的n電子，并且n電子與這幾個a電子所在的平面是垂直的。由于n電子之間的相互作用較弱，它們會形成光學帶隙較大的成鍵態(tài)和反鍵態(tài)，分別對應于最高已占軌道（Highestmolecularorbital，LUMO），類似于無機半導體中的導帶和價帶。

根據(jù)目前所利用的有機半導體材料不同，有機太陽能電池發(fā)展方向主要分為兩大類：小分子和聚合物型。有機小分子材料容易合成和提純，在成本上來說比高分子便宜，而且小分子材料的純度高，意味著光吸收效率高，其載流子遷移率也相對高些。但是，小分子材料結構過于鋼化，不溶解于普通溶劑，導致制作成本相對較高。小分子材料采用的是平面異質結構，即傳統(tǒng)的雙層薄膜型結構。聚合物雖然分散度高，不易提純，采光率低，但是可以溶解于普通溶劑中，且制作容易（可直接用旋涂法制備），極大地降低了制備成本。聚合物大都采用混合異質結構，即體異質結結構來彌補其帶來的缺陷。這里的劃分是對工作物質材料均為有機物而言，有機與無機材料的混合使用并未計人其中。

1小分子有機太陽能電池雙層結構的有機太陽能電池工作原理如圖i所示。作為給體的有機半導體材料吸收光子之后產(chǎn)生電子-空穴對，也就是激子，電子注入到作為受體的有機半導體材料后，先成為電荷遷移激子，在電場的作用下最終使空穴和電子分離，繼而空穴和電子分別被兩個電極所收集，形成光電流。在這種體系中，電子給體為P型，電子受體則為n型有機半導體

。

與無機半導體材料相比，有機分子之間的相互作用要弱得多（分子間的作用主要為范德華力），不同分子之間的LUMO和HOMO并不能在整個體相中形成連續(xù)的導帶和價帶。常溫下，載流子在有機半導體中的傳輸，需要克服分子間的勢壘，在不同分子之間的“跳躍”來實現(xiàn)，宏觀的表現(xiàn)就是其載流子遷移率要比無機半導體材料低得多。

雙層結構模型工作原理Fig.有機太陽能電池的第一次突破所使用的就是小分子材料，1985年C.W.Tang把無機光電器件中的pn結移植到了有機光電器件中并制成雙層結構，以小分子酞菁銅（CuPc）作為電子給體材料（P型），四羧基起的衍生物（PV）作為電子受體材料（n型），制成的有機太陽能電池光電轉換效率達1%，填充因子達0.65，取得了里程碑式的突破。國際上由此掀起了有機太陽電池研究的熱潮，此后，人們通過各種方法來提高有機光電池的輸出性能，但1%的轉換效率卻一直持續(xù)了大約15年的時間。

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2000年普林斯頓大學的Forrest研究小組提出了提高器件對光吸收效率的方法，在C.W.Tang的基礎上采用了一種能對光進行聚集的光學結構，使入射光可以在有機薄膜中不斷地反射來增加光在有機薄膜中的吸收，然后結合激子阻擋層的應用，使有機太陽能電池的功率轉換提高了大約2.5倍。此外，由于C6.具有較高的載流子遷移率使得其在有機太陽能電池中的使用日益廣泛，是一種較好的受體材料。2003年Fornst研究小組又在CuPc和C60組成的給體受體異質結光電池中插入了一層激子阻擋層，成功使得有機太陽能電池光電轉換效率達到3.Xue等制備出了光電轉換效率為4.2%、填充因子為0.6的有機太陽能電池，采用的依然是CuPc和C60兩種材料的雙層結構，但是電池的串聯(lián)電阻降低至0.10，cm2.pn結雙層結構雖然大大提高了激子的分離率，但雙層結構膜與膜之間接觸面積有限，本身限制了激子分離效率，這是因為激子只能在近界面區(qū)域分離，遠離界面區(qū)域產(chǎn)生的激子往往還沒遷移到界面上就復合了，加之有機半導體材料的載流子遷移率通常很低，在界面上分離出來的載流子在向電極運動的過程中會存在大量的損失而導致太陽能電池的光電轉換效率不高。而金屬電極本身也會對有機材料造成破壞，上面提到的插入激子阻擋層的目是為了使n型有機材料免受金屬原子的破壞和防止激子在電池猝滅，即通過電極修飾來提高光電轉換效率。總體而言，有機半導體材料的選擇、材料純度的變化、器件結構的不同及各種工藝水平都能夠影響光電轉換效率。pn結型的給體受體層接觸面積有著極大的局限型，目前仍沒有出現(xiàn)突破性進展的相關報告

因此，為了增加給體受體層接觸面積，提高激子的分離率，科學家又提出了體異質結結構，該結構的有機太陽能電池研究已成為目前最流行的研究方向之一。

2聚合物有機太陽能電池1995年俞剛等在科學雜志上發(fā)表文章，提出了體異質結型有機太陽能電池的概念。這種結構是將給體材料聚vinylene））以一定的比例和受體材料C60混合作為器件的活性層。這種混合層形成具有微相分離的連續(xù)互穿結構，因此，給體和受體之間具有很大的接觸面積，形成了無數(shù)微小的pn結，縮小了激子的擴散距離，更多的激子可以到達界面并進行電荷分離，見為此研究人員選用某些載流子遷移率高的無機納米晶材料作為電子受體，有機聚合物作為電子給體，既利用了無機納米晶載流子遷移率高、化學穩(wěn)定性好，特別是某些納米晶（如過渡金屬的硫及硒化物）在近紅外有較強吸收的特點，又保留了高分子材料良好的柔韌性和可加工性等優(yōu)點，涉及到有機和無機材料的混合，這里不作詳細討論。

雖然說聚合物有著比小分子更高的光電轉換效率，但是聚合物在強光照射下高溫不穩(wěn)定，而且有機材料本身有著的天然性質總是傾向于相同材料的聚集，即混合異質結結構在較長時間使用后會回到雙層異質結結構上，導致光電轉換效率降低。當轉換效率降低到原來的1/2時，通常意義上也就意味著電池的壽命結束了，也就是說，聚合物太陽能電池的使用壽命比小分子太陽能電池的使用壽命短。

3展望在全球傳統(tǒng)能源日益枯竭的情形下，太陽能可作為一種可再生的取之不竭的能源。在無機半導體光伏器件受到成本約束的條件下，盡管有機半導體材料有著遠低于無機半導體遷移率的缺點，但有機材料的低成本、易制造等優(yōu)點仍促使各國政府投人大量的資源開發(fā)有機太陽能電池。自從C.W.Tang研制出光電轉化效率1%的器件后，近20年來有機太陽能電池取得了可喜的進展，已經(jīng)實現(xiàn)7.4%的轉換效率。最近，SolarmerEnergy公司創(chuàng)造了8.13%的有機光伏電池效率記錄，這項新紀錄得到了美國國家可再生能源實驗室（NREL）的證實。同樣在最近，美國羅格斯大學研究人員H.NaaOV等發(fā)現(xiàn)，激子在有機半導體晶體紅熒烯中的擴散距離是以前認為的1000多倍，該距離可與激子在制備無機太陽能電池的硅、砷化鎵等材料中的距離相媲美，這是一條令人振奮的消息。只要從根本上克服了材料的載流子遷移率低帶來的影響，有機太陽能電池就可取得極大的進展，隨著新材料新概念的出現(xiàn)，相信在不久的將來有機太陽能電池就可以正式投人商業(yè)應用。