淺談有機(jī)太陽能電池

趙亮

摘 要：有機(jī)太陽能電池具有效率高、成本低、工藝簡單、耗能少、易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)勢，成為近十年來國內(nèi)外科研人員研究的熱點(diǎn)。文章介紹了有機(jī)太陽能電池的工作原理，電池材料和種類，并對其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：有機(jī)太陽能電池 工作原理 材料和種類 應(yīng)用前景

中圖分類號：TM914.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（c）-0112-02

Abstract：Organic solar cells have become a hot study issue among researchers home and abroad in recent decades， which possess a lot of advantages，such as high efficiency， low cost， simple operation， less energy consumption and easy for mass production. The paper introduces the operating principles，materials，categories，as well as perspectives of organic solar cells.

Key Words：Organic solar cells； Operating principles； Materials and Categories； Application prospect

太陽能取之不盡，用之不竭，，清潔無污染[1]。太陽能電池工作過程就是把入射太陽光的光能量轉(zhuǎn)化為電能的過程。太陽能以其分布廣、利用形式多樣、環(huán)保無污染等特點(diǎn)而成為新能源開發(fā)利用的重點(diǎn)。

近些年來人們研制和開發(fā)了許多不同類型的太陽能電池[2]。目前研究和開發(fā)的種類包括單晶硅、多晶硅、有機(jī)材料、鈣鈦礦等太陽能電池。其中有機(jī)半導(dǎo)體材料一方面因其成本低，質(zhì)地輕，柔韌性好，另一方面又因其制備工藝簡單，可低溫操作，環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為人們的關(guān)注焦點(diǎn)和研究內(nèi)容。

1 有機(jī)太陽能電池的發(fā)展

太陽能電池的主要是朝著降低制造成本，改善太陽能電池的性能和減少大規(guī)模生產(chǎn)對環(huán)境造成的影響發(fā)展的。人們開始探索有機(jī)化合物應(yīng)用到太陽能電池可追溯到20世紀(jì)70年代。肖特基電池為最早期的有機(jī)太陽能電池[3]，有機(jī)太陽能電池從單層有機(jī)電池結(jié)構(gòu)，雙層異質(zhì)結(jié)電池結(jié)構(gòu)，體異質(zhì)結(jié)電池結(jié)構(gòu)一路發(fā)展過來，其中體異質(zhì)結(jié)電池結(jié)構(gòu)對有機(jī)太陽能電池效率的提升有著極大的促進(jìn)作用，從十幾年的發(fā)展來看有機(jī)太陽能電池有著非常光明的應(yīng)用前景。

2 有機(jī)太陽能電池的特點(diǎn)

和晶硅太陽能電池相比較，有機(jī)太陽能電池具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）原料來源廣泛且清潔無污染。（2）電池制作多樣化。（3）能夠多途徑改變、提高材料光譜吸收能力。（4）加工容易，可大面積成膜。（5）廉價、工藝簡單，使得有機(jī)太陽能電池具有很強(qiáng)的競爭力。

3 有機(jī)太陽能電池工作原理

工作原理：（1）在光子入射到光敏材料時，吸光材料吸收光子電子從HOMO軌道受激發(fā)躍遷到LUMO軌道上，在 HOMO軌道上形成一個空穴。（2）形成的電子和空穴相互束縛形成電子-空穴對，也叫做激子。（3）在內(nèi)建電場作用下，二者定向移動，電子被陰極收集，空穴被陽極收集，形成光電流。（4）外部電路若被接通，內(nèi)部形成的電流被釋放形成回路。

4 有機(jī)太陽能電池材料

4.1 有機(jī)小分子太陽能電池材料

有機(jī)小分子是制造太陽能電池材料的一種途徑，作為光電材料常常采用蒸鍍的方法，經(jīng)多年以來的發(fā)展，也可以采用溶液加工方式。由于其結(jié)構(gòu)唯一，易純化，在材料批量生產(chǎn)中顯示出了重要的特色，在有機(jī)小分子分子自行的組織過程中太陽能電池功效也得到了提升[4]。其中酞菁類化合物（phthalocyanine）比較典型，因其易得廉價，熱穩(wěn)定性好而成為重要半導(dǎo)體基礎(chǔ)材料。

4.2 有機(jī)大分子電池材料

共軛聚合物是具有半導(dǎo)體性質(zhì)的有機(jī)大分子化合物[4]。通常聚合物給體材料在對光的吸收利用中起主導(dǎo)作用，因此需減小聚合物給體材料帶隙能夠拓展對太陽光的吸收。聚合物給體材料還需要較高的空穴遷移率以迅速地將光生空穴輸運(yùn)至陽極[5]。聚合物材料主要有聚噻吩（PTH）衍生物、聚苯胺（PANI）等。

4.3 D-A體系

為解決共軛聚合物給體和C60受體和它們之間的受體問題，將具有給電子性質(zhì)的分子以共價鍵的方式連接到受體上，形成分子級的D-A結(jié)材料[6]。它可以減小聚合物給體材料帶隙，提高遷移率，能夠滿足網(wǎng)絡(luò)輸出中工作要求。這些材料一直是我國太陽能電池研究的重點(diǎn)內(nèi)容[7]。

4.4 有機(jī)無機(jī)雜化體系

以共軛聚合物（電子給體材料）和無機(jī)半導(dǎo)體材料（電子給體材料）的復(fù)合材料為主要原料，隨著人們研究的不斷深入，無機(jī)半導(dǎo)體與C60衍生物共用作為受體材料的研究也廣受關(guān)注，無機(jī)半導(dǎo)體表面的改性研究也將日益俱增。目前，將噻吩聚合物接到納米管表面，可共同發(fā)揮作用，可提高電池與光能的接觸面積[8]從而保證供電質(zhì)量。

4.5 模擬葉綠素分子結(jié)構(gòu)材料

綠色植物的光和作用給了人們很大的啟發(fā)，研制出了有機(jī)半導(dǎo)體材料-模擬葉綠素材料。葉綠素分子受光激發(fā)后產(chǎn)生電荷分離態(tài)是其中關(guān)鍵的一步，并且電荷分離態(tài)的壽命可長達(dá)1 s。電荷分離態(tài)存在時間越長對電荷的輸出越有利。美國阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室的工作人員合成了化合物C-P-Q[9]。

5 有機(jī)太陽能電池分類

5.1 單質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽能電池

單質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池的有效層中只有一種材料（主要是MgPc染料），其電池結(jié)構(gòu)：玻璃/金屬電極/染料/金屬電極。其工作原理為：兩個電極的功函差或金屬與有機(jī)材料接觸而形成的肖特基勢壘產(chǎn)生內(nèi)電場[10]。電子被低功函數(shù)的電極提取，空穴被來自高功函數(shù)的電子填充，則在光照下形成光電流。但由于有機(jī)染料內(nèi)激子的遷移距離相當(dāng)有限，所以在同一材料中傳輸因而復(fù)合幾率較大，因而光電轉(zhuǎn)換效率普遍較低（一般<0.01%）。endprint

5.2 p-n異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽能電池

電池結(jié)構(gòu)：玻璃/ITO/n-染料/p-染料/金屬電極。其工作原理為：給體材料吸收光子后產(chǎn)生激子，激子會運(yùn)動到給體-受體界面，在此電子會注入到作為受體的有機(jī)半導(dǎo)體材料中，激子分離出空穴和電子[13]，在內(nèi)電場的作用下電子進(jìn)入n側(cè)，空穴進(jìn)入p側(cè)，二者分別轉(zhuǎn)到兩個電極上，形成光電流。較單質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池而言，其引入了電荷分離的機(jī)制（給受體材料界面）明顯提高了激子的分離效率，從而使p-n異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率高。但這種結(jié)構(gòu)也有缺陷，由于激子的擴(kuò)散長度（一個供體-受體界面長）有限，大多激子在到達(dá)界面之前就損失掉了，限制了吸收光子的數(shù)量，所以此類有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率還是不高[11]。提高有機(jī)太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的措施有：增加 D/A 界面、改進(jìn)電池結(jié)構(gòu)、開發(fā)新材料等。

5.3 p-n本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽能電池

電池結(jié)構(gòu)：玻璃/ITO/A+D混合材料/金屬電極，它是有機(jī)太陽能電池發(fā)展歷程中出現(xiàn)的新型結(jié)構(gòu)。形成的給體和受體材料互相貫穿的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中任何位置產(chǎn)生的激子，都可以通過很短的路徑到達(dá)給體-受體界面，使電荷分離效果得到提高，因而也使得光電轉(zhuǎn)化效率得到提高。但這種結(jié)構(gòu)也存有缺陷：由于給體和受體區(qū)在電極間并不是真正的連接，因此在任何小區(qū)域內(nèi)載流子都可能會被阻攔或捕獲。提高電池的光電轉(zhuǎn)化效率的一條方法就是必須增加有效的D/A界面面積[11]。

5.4 染料敏化太陽能電池

染料敏化太陽能電池是由導(dǎo)電基體材料（透明導(dǎo)電玻璃）、納米多孔半導(dǎo)體薄膜（TiO2）、染料光敏化劑（Ru的絡(luò)合物）、電解質(zhì)（I2/I3-）和對電極構(gòu)成。其工作原理和葉綠體光合膜光合作用原理十分類似，光子對光合膜作用的結(jié)果，實(shí)質(zhì)是光合膜內(nèi)外營造了一個電場，電子從膜內(nèi)傳送到膜外，在膜內(nèi)留下空穴，在光子作用下電子運(yùn)動構(gòu)成了內(nèi)外電流用[12]。它的優(yōu)點(diǎn)是制作方法簡單，無毒無污染，光電轉(zhuǎn)化效率高，成本低。是目前非晶硅太陽能電池的有力競爭者，目前它的效率超過11%[13]。但它的缺點(diǎn)就是使用的電解質(zhì)是液體，使用起來不方便。

6 展望

有機(jī)太陽能電池可以很好地克服傳統(tǒng)太陽能電池面臨的部分問題，與傳統(tǒng)太陽能電池形成優(yōu)勢互補(bǔ)，兩者的結(jié)合將顯著拓展太陽能電池的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，而且有機(jī)太陽能電池材料能夠容易進(jìn)行分子水平上的裁減和設(shè)計，它的生產(chǎn)工藝簡單，可以制備大面積輕盈薄膜等[9]，具有很大的潛力和光明的前景。但不足也很多，目前首要方向應(yīng)該是開發(fā)新型活性材料，要求其能夠?qū)μ柟鈱捵V吸收?？偠灾?，可以預(yù)測：效率高、成本低、工藝簡單的有機(jī)太陽能電池在不久的將來必然會商業(yè)化和廣泛普及。

參考文獻(xiàn)

[1] 李政道，陳亮，周勇，等.纖維狀染料敏化太陽能電池研究進(jìn)展[J].科學(xué)通報，2017（14）：1480-1491.

[2] 黃飛，張凱.有機(jī)太陽能電池[J].科學(xué)，2016，68（3）：20-24.

[3] 蔡東東，朱德欽.有機(jī)太陽能電池材料研究進(jìn)展[J].廣州化工，2012（7）：69-71.

[4] 許紅波.有機(jī)太陽能電池材料研究新進(jìn)展[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（9）：86.

[5] 朱美芳，熊紹珍.太陽能電池基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].2版.北京：科學(xué)出版社，2014：551.

[6] 王啟明，褚君浩，鄭有.太陽能電池發(fā)展現(xiàn)狀及性能提升研究[M].北京：科學(xué)出版社，2014：145.

[7] 黃林泉，周玲玉，于為，等.石墨烯衍生物作為有機(jī)太陽能電池界面材料的研究進(jìn)展[J].物理學(xué)報，2015（3）：26-35.

[8] 廖艷閨.有機(jī)太陽能電池材料研究新進(jìn)展[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（13）：64.

[9] 段曉菲，王金亮，毛景，等.有機(jī)太陽能電池材料的研究進(jìn)展[J].大學(xué)化學(xué)，2005（3）：1-8.

[10] 張?zhí)旎?，樸玲鈺，趙謖玲，等.有機(jī)太陽能電池材料研究新進(jìn)展[J].有機(jī)化學(xué)，2011（2）：260-272.

[11] 李甫，徐建梅，張德.有機(jī)太陽能電池研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].能源與環(huán)境，2007（4）：52-54.

[12] 張春福，張進(jìn)成，馬曉華，等.半導(dǎo)體光伏器件[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2015：262.

[13] 劉小青，王立.有機(jī)太陽能電池應(yīng)用前景展望[J].能源研究與管理，2010（4）：1-3.endprint