你了解有機(jī)太陽(yáng)能電池嗎?

作者/張國(guó)楷，濟(jì)南市歷城第一中學(xué)

你了解有機(jī)太陽(yáng)能電池嗎?

作者/張國(guó)楷，濟(jì)南市歷城第一中學(xué)

21世紀(jì)以來(lái)，全球性能源問(wèn)題日漸突出，太陽(yáng)能電池是解決該問(wèn)題的最有希望的綠色技術(shù)。首先，本文闡述了無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池的種類及其存在的問(wèn)題。其次，本文闡述了有機(jī)太陽(yáng)能電池的優(yōu)點(diǎn)和研究意義，并且從結(jié)構(gòu)、原理、材料三個(gè)方面對(duì)于當(dāng)前有機(jī)太陽(yáng)能電池的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行概述。在此基礎(chǔ)上，探討了未來(lái)有機(jī)太陽(yáng)能電池的發(fā)展前景與趨勢(shì)。

無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池；有機(jī)太陽(yáng)能電池；工作原理；結(jié)構(gòu)；有機(jī)材料

引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，面對(duì)全世界的能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題，人們對(duì)于新能源的需求和重視更加強(qiáng)烈，迫切需要可再生的、環(huán)境友好的新能源作為化石燃料的替代品。相對(duì)于其它的新能源，太陽(yáng)能具有其取之不盡用之不竭、安全無(wú)風(fēng)險(xiǎn)、適用區(qū)域廣泛等諸多優(yōu)點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人類每年消耗的能量大概為1.11×1014kWh，而太陽(yáng)每小時(shí)輻射到地球的能量約為1.78×1014kWh。如果能夠充分利用巨大的太陽(yáng)輻射能，人類面臨的能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題將得到根本的解決。太陽(yáng)能電池是一種將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能的有效途徑。按照材料種類，太陽(yáng)能電池包括無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池和有機(jī)太陽(yáng)能電池兩大類。

1.無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池

本世紀(jì)70年代中期開(kāi)始了地面用太陽(yáng)電池商品化以來(lái)，晶體硅就作為基本的電池材料占據(jù)著統(tǒng)治地位。以晶體硅材料制備的太陽(yáng)能電池主要包括：?jiǎn)尉Ч杼?yáng)電池，多晶硅太陽(yáng)能電池，非晶硅太陽(yáng)能電池和薄膜晶體硅電池。

（1）單晶硅太陽(yáng)能電池是硅系列太陽(yáng)能電池中，單晶硅大陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率是最高的，在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于受單晶硅材料價(jià)格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅成本價(jià)格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困難的。

（2）多晶硅薄膜電池由于所使用的硅遠(yuǎn)較單晶硅少，又無(wú)效率衰退問(wèn)題，并且有可能在廉價(jià)襯底材料上制備，其成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池，因此，多晶硅薄膜電池不久將會(huì)在太陽(yáng)能電池市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。

（3）非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池能夠有效降低生產(chǎn)成本，便于大規(guī)模生產(chǎn)，普遍受到人們的重視并得到迅速發(fā)展。但是該電池的性能和穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。

（4）多元化合物薄膜太陽(yáng)能。為了尋找單晶硅電池的替代品人們不斷研制其它材料的太陽(yáng)能電池，電池其中主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。上述電池雖然能夠取得較高的電池效率，但是電池中往往含有有毒元素而造成嚴(yán)重的環(huán)境污染環(huán)境。因此，這些多元化合物薄膜也不是無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池最理想的替代材料。

從固體物理學(xué)上講，硅材料并不是最理想的光伏材料。這主要是因?yàn)楣枋情g接能帶半導(dǎo)體材料，其光吸收系數(shù)較低，所以其它光伏材料的研究成為一種新方向，也是獲得高性能太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。

2.有機(jī)太陽(yáng)能電池

一般對(duì)太陽(yáng)能電池材料有如下一些要求：要充分利用太陽(yáng)能輻射；有較高的光電轉(zhuǎn)換效率；材料本身對(duì)環(huán)境不造成污染；材料便于工業(yè)化生產(chǎn)且材料性能穩(wěn)定。還要從原料資源、生產(chǎn)工藝和性能穩(wěn)定性等方面綜合考慮。改善太陽(yáng)能電池的性能，降低制造成本以及減少大規(guī)模生產(chǎn)對(duì)環(huán)境造成的影響是未來(lái)太陽(yáng)能電池發(fā)展的主要方向。相對(duì)無(wú)極太陽(yáng)能電池，有機(jī)太陽(yáng)能電池具有材料種類多、質(zhì)量輕、制造成本低、柔性和可大面積成膜等諸多優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)二十年的快速發(fā)展，有機(jī)太陽(yáng)能能電池的光伏性能已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，其能量轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)突破13%，在未來(lái)的商業(yè)化應(yīng)用中具有非常大潛力。

■2.1 有機(jī)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)

有機(jī)太陽(yáng)能電池具有“三明治”結(jié)構(gòu)（如圖1所示），由中間的吸收太陽(yáng)光的活性層和兩側(cè)的透明導(dǎo)電陽(yáng)極和金屬陰極組成。中間的活性層由兩種特定性質(zhì)的有機(jī)材料組成，起到吸收太陽(yáng)光和生成自由移動(dòng)電荷的作用。兩側(cè)電極進(jìn)行電荷收集工作。在早期的研究中，活性層是兩種有機(jī)材料組成的雙層異質(zhì)結(jié)構(gòu)（如圖1a所示）。[1]這種結(jié)構(gòu)受到材料性質(zhì)的影響而限制了活性層厚度，無(wú)法有效利用太陽(yáng)能光。在1995年，Yu 等人將給體材料受體材料共混作為活性層，形成了所謂的本體異質(zhì)結(jié)（BHJ）結(jié)構(gòu)（如圖1b所示），顯著提高了太陽(yáng)能電池的性能。[2]這種本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)形成了活性層的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠有效的提高電荷分離和傳輸過(guò)程，是有機(jī)太陽(yáng)電池領(lǐng)域的重大突破。

圖1 有機(jī)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)

■2.2 工作原理和參數(shù)

有機(jī)太陽(yáng)能電池的工作原理是光生伏特效應(yīng)，包括五個(gè)基本過(guò)程：（1）光吸收過(guò)程，生成激子；（2）激子擴(kuò)散；（3）激子解離，生成自由電荷；（4）電荷傳輸；（5）電荷收集。這五個(gè)基本過(guò)程是有機(jī)太陽(yáng)能電池的工作基礎(chǔ)，也是有機(jī)太陽(yáng)能電池的主要研究?jī)?nèi)容。同時(shí)，對(duì)于有機(jī)太陽(yáng)能電池表征主要包含四個(gè)參數(shù)：短路電流（Jsc）、開(kāi)路電壓（Voc）和填充因子（FF）和能量轉(zhuǎn)化效率（PCE）。能量轉(zhuǎn)化效率是衡量有機(jī)太陽(yáng)能電池性能的標(biāo)準(zhǔn)，等于短路電流、開(kāi)路電壓和填充因子（FF）三個(gè)參數(shù)之乘積。短路電流是電池上施加電壓為零時(shí)電池外回路上的電流。影響短路電流的主要因素是有機(jī)材料材料的吸光性和電池的制備工藝。開(kāi)路電壓等于電池的外部電路斷路或者電流為零時(shí)，器件兩端施加電壓的大小，主要取決于有機(jī)材料的能級(jí)分布。填充因子定義為太陽(yáng)能電池提供的最大功率與Voc·Jsc乘積的比值，說(shuō)明了該電池能夠?qū)ν馓峁┳畲筝敵龉β实哪芰?。填充因子越大，意味著太?yáng)能電池的電流電壓特性更接近恒流源的性質(zhì)以及得到更高輸出功率的能力?？傮w而言，有機(jī)材料的種類和純度、器件結(jié)構(gòu)及工藝水平都會(huì)不同程度影響有機(jī)太陽(yáng)能電池的光伏性能。

■2.3 有機(jī)太陽(yáng)能電池材料發(fā)展

活性層中有機(jī)材料的選擇不僅影響到光伏過(guò)程的前四個(gè)過(guò)程，而且直接決定了電池的短路電流、開(kāi)路電壓和填充因子。因而，對(duì)于有機(jī)太陽(yáng)能電池種有機(jī)材料的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有重要的作用和意義。下面簡(jiǎn)單介紹一下活性層材料的發(fā)展過(guò)程。

在過(guò)去的二十年，有機(jī)太陽(yáng)能電池的發(fā)展主要?dú)w功于有機(jī)材料的廣泛研究，有機(jī)太陽(yáng)能電池的性能從1%迅速提升到11%。在有機(jī)太陽(yáng)能電池發(fā)展的最初階段，選擇的給體材料是醌式結(jié)構(gòu)窄帶隙聚合物。在醌式結(jié)構(gòu)中，交替的單鍵和雙鍵趨向于平均化，即單鍵和雙鍵區(qū)別弱化，體系中共軛電子的離域性增強(qiáng)。之后，人們又開(kāi)發(fā)了 “D-A”型聚合物?！癉-A”型聚合物是由給電子單元（D）進(jìn)而缺電子單元（A）交替共聚形成。這種“D-A”型結(jié)構(gòu)形成的分子鏈內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT），可以有效地降低聚合物帶隙，并有利于吸收光譜發(fā)生紅移。該類材料中，2013年報(bào)道的聚合物PBDTEF-T是最經(jīng)典的給體材料，并被廣泛應(yīng)用于有機(jī)太陽(yáng)能電池的研究。[4]優(yōu)異的電池性能來(lái)自于聚合物PBDT-EF-T非常寬的吸收光譜、合適的能級(jí)分布和活性層中很高的空穴遷移率。在大量給體材料設(shè)計(jì)合成的基礎(chǔ)上，對(duì)于給體材料化學(xué)結(jié)構(gòu)-材料性質(zhì)-器件性能的構(gòu)效關(guān)系認(rèn)識(shí)不斷加深，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)材料性質(zhì)的有效調(diào)控和針對(duì)材料要求進(jìn)行目的性篩選。

近兩年，非富勒烯有機(jī)太陽(yáng)能電池成為新的研究熱點(diǎn)并受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。該類電池的主要特點(diǎn)是用有機(jī)材料代替富勒烯衍生物。富勒烯衍生物所具有的吸光性弱、能級(jí)難調(diào)控、價(jià)格昂貴和共混層中形貌穩(wěn)定差的缺點(diǎn)再次受到人們的關(guān)注。這些缺點(diǎn)極大地限制了有機(jī)太陽(yáng)能電池的性能提升和未來(lái)商業(yè)化應(yīng)用。因而，非富勒烯受體材料的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有十分重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。非富勒烯受體材料不僅能夠很好的克服富勒烯衍生物的缺點(diǎn)，而且表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。目前，最成功的非富勒烯受體材料是基于茚并二噻吩并噻吩的ITIC分子。ITIC分子具有非常窄的帶隙和很低的能級(jí)分布，以及很高的電子遷移率?；谠摲肿幼鳛槭荏w材料的有機(jī)太陽(yáng)能電池獲得了13.8%能量轉(zhuǎn)化效率[5]，極大地提升了有機(jī)太陽(yáng)能電池性能，向著有機(jī)太陽(yáng)能電池的商業(yè)化應(yīng)用邁進(jìn)了一大步。

3.總結(jié)與展望

目前，基于非富勒烯受體材料的有機(jī)太陽(yáng)能能電池已經(jīng)引起越來(lái)越多的關(guān)注和研究。理論化學(xué)家們也將目光投向了非富勒烯有機(jī)太陽(yáng)能能電池這一領(lǐng)域，已經(jīng)開(kāi)始對(duì)形貌進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，而形貌優(yōu)化對(duì)提高太陽(yáng)能電池的效率有顯著作用。但是，大多數(shù)科學(xué)工作者將工作重點(diǎn)放在發(fā)展新型電子給體材料和受體材料，僅僅將目標(biāo)放在實(shí)驗(yàn)室條件下制備PCE較高的有機(jī)太陽(yáng)能電池。對(duì)于有機(jī)太陽(yáng)能電池在未來(lái)商業(yè)化過(guò)程中所遇到的問(wèn)題受到的很少關(guān)注，并未取得突破性進(jìn)展。因此，有機(jī)太陽(yáng)能電池大面積器件和器件穩(wěn)定性的研究將逐漸成為該領(lǐng)域的新熱點(diǎn)，也是有機(jī)太陽(yáng)能電池走向商業(yè)化的下一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

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