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   激子解离(电荷的转移和分离)

   除了要求活性材料有较高的太阳光谱吸收能力,有机光伏器件中激子解离过程也是决定器件效率的重要因素。因为吸收了一个光子后的有机分子,产生相互关联的电子空穴对tFrenkel激子),它们之间的相互作用力较大,需要在较强的电场下,才能解离成光伏器件的最终产物:自由电荷。例如,将电子空穴对在空间上分开1111n,所需要克服的库仑结合能通常约为0.5eV。

   较大的束缚能,使有机物中的激子在室温下的热能不足以将光生激子解离为自由电荷。同时,与无机物相比,有机光伏器件中激子的寿命和扩散长度也比较短:有机物激子的扩散长度大约为5~20nm,这个值相对于无机物的扩散长度(≥1um),或者相对于器件中有机薄膜厚度(≥100nm)要小得多。这些特点不但限制了有机光伏器件中的活性有机薄膜的厚度,还限制了激子的解离。

   通常情况下,有机光伏器件中需要一个有效的电子受体来协助强束缚力激子中电子的转移,即有机电池结构中通常要存在给体/受体界面。两个材料在界面处LUMO能级的差别形成了内建电场,驱动激子中电荷的转移。如图4,10所示,对于有机给体/受体①/A)器件,给体D吸收光后,一个电 子由HOMo跃迁至LUMo,形成激子(DⅡ)。通常激子的能量比给体的能隙(HOMoˉLUMO gap)低大约0,1~1eV(即激子的结合能)。如果受体分子A存在于附近,DⅡ中处于LUMO中的电子有机会转移到受体A的LUMO中,产生电荷分离并形成电荷转移态。电荷转移态是由给体的HOMo和受体的LUMo组成,具有的能量。