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有机太阳能电池 图片来自xoer

有机太阳能电池是成分全部或部分为有机物的太阳能电池 ，他们使用了导电聚合物或小分子用于光的吸收和电荷转移。有机物的大量制备、相对价格低廉，柔软等性质使其在光伏应用方面很有前途。通过改变聚合物等分子的长度和官能团可以改变有机分子的能隙，有机物的摩尔消光系数很高，使得少量的有机物就可以吸收大量的光。相对于无机太阳能电池，有机太阳能电池的主要缺点是较低的能量转换效率，稳定性差和强度低。

有机太阳能电池的材料

太阳能电池是一个特别的半导体二极管，它可能将可见光能转化为直流电，一些太阳能电池可能转化红外和紫外光的能量为直流电。通常用于有机光伏电池的材料都是有大量共轭键的，共轭键是由交替碳碳单键和双键组成的，共轭键的电子的简并轨道是离域的，形成了离域成键轨道π轨道和反键轨道π*。离域π键是最高占据轨道(HOMO)，反键轨道π*是最低未占据轨道(LUMO)。HOMO和LUMO的能级差被认为是有机电子材料的带隙，带隙一般在1-4 eV。

当这些材料吸收了一个光子，就形成了激发态，并被局限在一个分子或一条聚合物的链，激发态可以被看作是在静电力作用结合的一个电子和空穴，也就是激发子，简称激子。在光伏电池中，激子在不同物质的异质结形成的有效场中成为自由的电子空穴对，有效场使电子从吸光体（也就是电子给体）的导带降到受体分子的导带上从而破坏了激子，因此电子受体材料的导带边界，也就是它的LUMO必须低于吸光体材料。

工作原理

以有机太阳能电池结构，可区分成单层及双层（或称异质接面）太阳能电池。单层主要以阳极，有机材料及阴极所组成。而双层主要以阳极，可当电子予体有机材料，可当电子受体有机材料及阴极所组成。 有机太阳能电池其发光原理，以电子予体/受体异质接面（electro donor-acceptor heterojunction）元件结构为例,首先予体（donor）接收光，光激发生成电子电洞对（electron-hole pair）或可称为激子（exciton）。当激子扩散至Donor-Acceptor介面，激子将分解成独立传导的电子及电洞。由于donor及acceptor两者的LUMO、HUMO能阶差异的关系，电子会往acceptor材料，而电洞则往donor材料传递。接著透过电极，经由外电路，生成电流。

不论是小分子或高分子有机材料，他们都具有共同特性：高共轭系统这些pz轨域非定域化电子混成形成一非定域化π及π＊轨域。其中非定域化π轨域为HOMO，而非定域化π＊轨域为LUMO。而两者的能阶差，被认为是有机导电材料的能隙，而通常能隙值约为1~4 eV。一般而言，延长有机分子共轭碳链长度，可降低能隙值。有机太阳能电池仍然有许多发展空间，例如借由有机分子设计，研究出更适合的感光层材料，使其能更充分利用到太阳光能中各种光波段的能量；发展出使载子移动率更快的材料，使其电子-电洞对分离的效率能提升；改善元件的光吸收率，使其转换效率大幅提升。

分类

依有机材料不同特性，有机太阳能电池又可区分为:

• 染料敏化太阳能电池（dye-sensitized solar cells，DSSC），1991年瑞士联邦理工学院的M. Graumltzel教授的研究团队，发明具光敏性质之染料吸附于半导体奈米多孔洞结构之TiO2电极，搭配具有氧化-还原性质(I– / I3-)之电解液，制作出光电转换效率高达7 %之染料敏化太阳能电池，目前这种电池的光电转换效率最高已超过 11%，其发展潜力备受瞩目。
• 小分子有机太阳能电池（Molecular Solar Cells）。
• 高分子有机太阳能电池（polymer solar cells），1981 年时A. Takahashi研究团队最早将共轭高分子材料使用于制作太阳能电池。目前高分子有机太阳能电池常用的材料为聚 3-己烷基噻吩（poly (3-hexylthiophene), P3HT） 聚合物半导体（p 型材料）、苯基-C61 丁酸甲酯 (phenyl-C61-butyric acid methylester, PCBM)（n 型材料）所组成。其做法是将这两种有机半导体材料以溶剂溶解后进行混合，而后再涂布到元件上。均匀混合后的 pn 介面面积能有效提高，增加激子被拆解的机会而提升电池效率。

优缺点

太阳能电池主要目的是将光能转换成电能。而有机太阳能电池主要系以具有半导体性质之有机材料制作，其优点：

1. 制造成本低
2. 化合物结构可设计性
3. 材料质轻
4. 加工性能好
5. 制造大面积的太阳能电池及大量生产
6. 高吸光系数
7. 具有可挠曲，半透明等特性。

但目前亦有多项缺点待克服，如功率转换效率低，载子迁移率低，高电阻，耐久性差等问题。