淺談有機太陽能電池技術

摘 要:能源問題日益成為制約國際社會經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸，越來越多的國家開發(fā)太陽能資源，尋求經(jīng)濟發(fā)展的新動力，太陽能電池應運而生。有機太陽能電池作為其中的一種，以制備工藝簡單、環(huán)境穩(wěn)定性高、光伏效應良好等優(yōu)點，日益被人們所重視。

關鍵詞:有機太陽能電池 工作原理 特點 發(fā)展

中圖分類號:TM61文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)04(b)-0025-01

1 有機太陽能電池的特點

有機太陽能電池與無機太陽能電池的最大區(qū)別在于半導體材料，有機太陽能電池的半導體是有機材料，而無機太陽能電池的半導體是無機材料。有機材料與無機材料相比，毒性較小，不會造成環(huán)境的污染，是更清潔的能源。

2 有機太陽能電池的原理及材料

2.1 工作原理

有機太陽能電池以具有光敏性質(zhì)的有機物作為半導體材料，以光伏效應而產(chǎn)生電壓形成電流。具體的工作過程如下:光子入射到光敏材料，光敏材料在激發(fā)作用下，分子間作用力發(fā)生變化，材料內(nèi)部產(chǎn)生大量的游離電子和空穴對。游離的電子和空穴對在靜電勢能作用下導致分離，隨之產(chǎn)生定向移動，電子移向負極，孔穴移向正極，被接觸電集收集，然后在正負電極之間產(chǎn)生光電壓。當外部電路被接通時，內(nèi)部形成的電流被釋放，外電路形成工作回路。需要注意的是，在游離電子和空穴對形成的過程中，光子的能量是決定光伏效應能否正常發(fā)生的關鍵性因素。

描述有機太陽能電池性能的主要參數(shù)有:

(1)短路電流Isc，開路電壓Voc。這兩個參數(shù)都是在已知功率(W)和能量的光照下測量的。

(2)用來表示由于器件的電阻而導致的損失的參數(shù)填充因子(FF)

FF=(IV)max/IscVoc

(3)表示電池主要性能的參數(shù)能量轉(zhuǎn)換效率(ηp)

ηp=Pout/Pin=(IV)max/LA

ηp=FF IscVoc/LA

(4)外量子效率(EQE)

EQE=外部電路電子數(shù)/入射光子數(shù)

2.2 電池的有機材料

1)有機小分子化合物

酞菁類化合物和芘類化合物是典型的有機小分子化合物，同時也是有機太陽能電池的重要半導體基礎材料。酞菁類化合物具有典型的p-型結構，可以很好的吸收600～800nm光譜區(qū)域內(nèi)的太陽光線;芘類化合物具有典型的n-型結構，可以較強的吸收400～600nm光譜區(qū)域內(nèi)的太陽光線。

2)有機大分子化合物

共軛聚合物是具有半導體性質(zhì)的有機大分子化合物，可以制作成各種光電器件。通過研究發(fā)現(xiàn)，共軛聚合物與電致發(fā)光二極管配合使用，可以組成基于共軛聚合物的有機太陽能電池，且使用效果良好。

3)模擬葉綠素材料

有機太陽能電池的半導體材料來源廣泛，種類眾多。人類從綠色植物的光和作用中受到了啟發(fā)，研制出了新型的有機半導體材料—模擬葉綠素材料。研究人員發(fā)現(xiàn)，植物的葉綠素之所以可以將太陽能轉(zhuǎn)化為化學能，關鍵在于葉綠素分子受到光的激發(fā)后，產(chǎn)生出分離態(tài)的電荷，電荷分離狀態(tài)維持1s左右，在這短短的時間內(nèi)，已經(jīng)足以使產(chǎn)生的電荷產(chǎn)生輸出。研究人員受此啟發(fā)，合成了具有如下結構的化合物C-P-Q。

3 有機太陽能電池的不足

3.1 從光能到電能的轉(zhuǎn)化效率低

高分子材料由于無定型結構的原因，分子間作用力弱，光照射后生成的光生載流子主要在分子內(nèi)的共軛價鍵上運動，而在分子鏈間的遷移比較困難，使得高分子材料載流子的遷移率一般很低，因此，形成光伏效應的環(huán)境較弱。此外，有機太陽能電池與無機太陽能電池的光伏效應原理不同，無機太陽能電池的光生載流子通過直接吸收光子產(chǎn)生，而有機太陽能電池是先生產(chǎn)激子，然后再通過激子的離解產(chǎn)生自由載流子，這樣形成的載流子容易成對復合。這些原因都導致有機太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率較低。

3.2 電能穩(wěn)定性低

造成有機太陽能電池電能穩(wěn)定性低的原因主要有兩個:一是由有機染料制作的有機太陽能電池半導體，電阻高，會造成很大的電能損耗，降低電流的通量;二是有機太陽能電池的載流子遷移率低，會影響轉(zhuǎn)換電流的強度。

4 結語

無機太陽能電池的研究和發(fā)展已經(jīng)相對成熟，不管是從材料的研發(fā)還是從開發(fā)思路上來講，都值得有機太陽能電池技術的發(fā)展借鑒。在技術研發(fā)中，要充分利用現(xiàn)有資源和無機太陽能電池技術已經(jīng)取得的成果，拓展創(chuàng)新思路，加快新技術的研發(fā)腳步。在半導體材料方面，不管是無機材料還是有機材料，都會有其優(yōu)缺點。如何將無機材料電能轉(zhuǎn)換效率高的特點與有機材料來源廣泛，工藝簡單的優(yōu)勢相結合，實現(xiàn)半導體材料的技術突破，將會是今后的一個發(fā)展方向。此外，納米材料也可能會加入太陽能電池的應用行列。納米材料是由超微粒組成的，這些微粒邊界區(qū)的體積大約是材料總休積的50%，因此利用納米材料組裝有機太陽能電池，其特殊結構可能會使有機太陽能電池的研究產(chǎn)生較大進展。

參考文獻

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