有机太阳电池的研究始于1959年，但当时效率仅为0.1%[17]。1986年，由邓青云报道的以酞菁衍生物作为p型半导体，四羧基苝衍生物作为n型半导体的双层结构的有机太阳电池取得重大突破，效率达到1%[18]。经过数十年的发展，有机太阳电池的研究取得了长足的进展，目前实验室转换效率已突破10%[6]。该类太阳电池的优点是：成本低、质量轻、材料来源广泛、制备工艺简单、可制备在柔性衬底上、始于大面积生产、材料的光及电学特性可调整；缺点是效率较低、寿命较短[19]。有机太阳电池受光照产生的不是电子—空穴对，而是激子。因此，在讲述有机太阳电池工作原理前，必须介绍一下激子的概念。
1.激子
在前几章中一直强调，在光照条件下，一个电子从价带被激发到导带上去，则在价带内产生一个空穴，从而形成一个光生电子—空穴对。如果光子的能量E＜Eg，也可以帮助一些价带电子离开价带，但是不足以到达导带，此时电子和空穴之间存在库仑束缚力，即电子和空穴一起运动。因此，将这种电子和空穴之间通过库仑力的束缚态称为激子。激子在晶体中产生后，并不停留在该处，而是在整个晶体中运动。但是由于激子是电中性的，不会形成电流[1]。图7.12所示为激子产生示意图。
图7.12 激子产生示意图
激子的结合能是激子中电子能级和导带底Ec的能量差。当激子得到相当于其结合能的能量，就可以实现分离，电子进入导带形成导带电子。激子可以分为瓦尼尔—莫特激子和弗仑克尔激子。晶体硅中，存在瓦尼尔—莫特激子，激子之间的库仑束缚较弱，只有数十meV。瓦尼尔—莫特激子很容易通过热激发分离成电子和空穴对。有机太阳电池中，存在弗仑克尔激子，库仑作用较强，能达到0.4eV[4]。激子常常通过两种形式复合，其一是通过热激发分离成导带电子和空穴，其二是激子的电子和空穴自身的复合，发射光子，有时也会伴随着发射声子。(www.xing528.com)
2.有机太阳电池工作原理
当光透过ITO电极照射到活性层上，活性层中的共轭聚合物给体吸收光子产生激子，激子迁移转移到聚合物给体/受体界面，在那里，激子中的电子转移给电子受体的LUMO（lowest unoccupied molecular orbital）能级，空穴保留在聚合物给体的HOMO（highest occupied molecular orbital）能级上，从而实现光生电荷分离。然后在电池内部势场（其大小正比于正负电极的功函数之差，反比于器件活性层的厚度）的作用下，被分离的空穴沿着共轭聚合物给体形成的通道传输到正极上，而电子则沿着受体形成的通道传输到负极。空穴和电子分别被相应的正极和负极收集后形成光电流和光电压。综上，有机太阳电池工作原理可以分为：①激子的产生；②激子扩散；③激子分离；④载流子输运；⑤载流子收集。图7.13所示为有机太阳电池工作原理示意图[6]。
图7.13 有机太阳电池工作原理示意图
1—激子的产生 2—激子扩散 3—激子分离 4—载流子输运 5—载流子收集
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