有機太陽能電池

有機太陽能電池 (OSC) 或塑料太陽能電池是一種使用有機電子學的光伏電池，有機電子學是處理導電有機聚合物或小有機分子的電子學分支，用于光吸收和電荷傳輸，以通過光伏發電從太陽光中發電 影響。 大多數有機光伏電池是聚合物太陽能電池。

有機太陽能電池中使用的分子可在高通量下進行溶液處理并且價格便宜，從而降低了制造大體積的生產成本。 結合有機分子的靈活性，有機太陽能電池在光伏應用中具有潛在的成本效益。 分子工程可以改變帶隙，從而實現電子可調性。 有機分子的光吸收系數很高，所以用少量的材料就可以吸收大量的光，通常在幾百納米的數量級。 與無機光伏電池如硅太陽能電池相比，有機光伏電池的主要缺點是效率低、穩定性低和強度低。

與基于硅的設備相比，聚合物太陽能電池重量輕（這對于小型自主傳感器很重要）、可能是一次性的且制造成本低廉（有時使用印刷電子）、靈活、可在分子水平上定制并且可能對環境的不利影響較小。 聚合物太陽能電池還具有表現出透明性的潛力，建議應用于窗戶、墻壁、柔性電子設備等。聚合物太陽能電池的缺點也很嚴重：它們提供大約 1/3 的 硬材料的效率，并經歷大量的光化學降解。

聚合物太陽能電池的低效率和穩定性問題，加上低成本和高效率的承諾，使其成為太陽能電池研究的熱門領域。

光伏電池是一種專門的半導體二極管，可將光轉換為直流 (DC) 電。 根據吸光材料的帶隙，光伏電池還可以將低能紅外 (IR) 或高能紫外 (UV) 光子轉換為直流電。 在光伏中用作吸光材料的小分子和聚合物（圖 3）的一個共同特征是它們都具有大的共軛體系。 形成共軛系統，其中碳原子與交替的單鍵和雙鍵共價鍵合。 這些碳氫化合物的電子pz軌道離域并形成離域鍵合π軌道和π*反鍵軌道。 離域 π 軌道是最高占據分子軌道 (HOMO)，而 π* 軌道是最低未占分子軌道 (LUMO)。 在有機半導體物理學中，HOMO 充當價帶，而 LUMO 充當導帶。 HOMO 和 LUMO 能級之間的能量分離被認為是有機電子材料的帶隙，通常在 1-4 eV 的范圍內。

所有能量大于材料帶隙的光都可以被吸收，盡管減少帶隙需要權衡，因為吸收的能量高于帶隙的光子會熱釋放出多余的能量，從而導致電壓降低 和功率轉換效率。 當這些材料吸收光子時，會產生激發態并將其限制在分子或聚合物鏈的區域中。 激發態可被視為激子，或通過靜電相互作用結合在一起的電子-空穴對。

在光伏電池中，激子被有效場分解成自由電子-空穴對。 通過在兩種不同材料之間創建異質結來建立有效場。 在有機光伏中，有效場通過使電子從吸收體的導帶落到受體分子的導帶來分解激子。 受體材料的導帶邊緣必須低于吸收材料的導帶邊緣。

聚合物太陽能電池通常由氧化銦錫 (ITO) 導電玻璃頂部的電子或空穴阻擋層組成，然后是電子供體和電子受體（在體異質結太陽能電池的情況下）、空穴或電子阻擋層 層和頂部的金屬電極。 阻擋層的性質和順序——以及金屬電極的性質——取決于電池是遵循規則的還是倒置的器件架構。