納米結(jié)構(gòu)材料及其技術(shù)在太陽能電池中的應(yīng)用

高雨萌

（武漢市第四十九中學(xué) 湖北 武漢 430000）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們的日常生活對(duì)于石油燃料的需求越來越多，同時(shí)，也引起了全球環(huán)境變暖的多種問題。燃料的不斷消耗，使得大氣中的二氧化碳濃度不斷上升，由此引發(fā)了地球的溫室效應(yīng)。針對(duì)此種情況，如果不能采取有效的措施，不久的將來地球?qū)?huì)面臨及其嚴(yán)重的危險(xiǎn)。與此同時(shí)，石油燃料的快速消耗，也會(huì)逐漸將儲(chǔ)藏量耗盡。與此同時(shí)，太陽輻射到地面的能量相對(duì)較大，且屬于無污染再生能源，符合人類可持續(xù)發(fā)展的需求。因此，對(duì)于納米結(jié)構(gòu)材料及其技術(shù)在太陽能電池中的應(yīng)用分析勢(shì)在必行。

2 染料敏化太陽電池材料的應(yīng)用

染料敏化太陽能電池又可稱之為DSC，英文全稱為dye-sensitizrd solarcells。此太陽電池技術(shù)研究最為成功的，是瑞士科學(xué)家提出的太陽能光電池，以染料敏化納米TiO2薄膜作為太陽極，這種太陽能光電池，將光能轉(zhuǎn)換為電能的效率能夠達(dá)到11.3%。與此同時(shí)，染料敏化太陽能電池，同傳統(tǒng)的太陽能電池相比，制作成本相對(duì)較低，且來源豐富，制作工藝也較為簡(jiǎn)單，同時(shí)性能穩(wěn)定。另外，染料敏化太陽電池是一種復(fù)合體系，采用的是由有機(jī)以及無機(jī)所構(gòu)成的，此太陽能電池是由納米晶半導(dǎo)體多孔膜作為其工作的電極。而制作此電極的方法一般會(huì)采用水熱反應(yīng)法、絲網(wǎng)印刷法等多種方法[1]。

現(xiàn)階段，對(duì)于太陽能電池研究較多的是就是TiO2納晶多孔薄膜，通常采用溶膠-凝膠法制備出所需的納米膠粒，然后將其涂在能夠?qū)щ姷牟Ａ希M(jìn)而將其進(jìn)行燒結(jié)，最終形成納晶薄膜，在進(jìn)行電解過程中，正面光照的電解液同背面光照電解液相比，正面光照電解液所得的電流相對(duì)較小，針對(duì)此種現(xiàn)象，對(duì)其中TiCl4和HCl進(jìn)行改變之后，光電的性能得到有效改善，根據(jù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究得知，在對(duì)表面態(tài)密度進(jìn)行減小，對(duì)電子輸送通道進(jìn)行改善之后，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行有效改善。此種方法的主要就是通過將一層致密的TiO2薄膜鋪設(shè)在光陽極導(dǎo)電玻璃基底上，并將其放在氧氛圍下，對(duì)其進(jìn)行退火處理，并采用不同的溫度，由此，TiO2作為一層阻擋層，會(huì)對(duì)電解質(zhì)溶液中的相關(guān)離子同導(dǎo)電玻璃基底進(jìn)行阻止，防止其發(fā)生光生電子的復(fù)合。根據(jù)相關(guān)的研究實(shí)驗(yàn)得知，不同厚度的TiO2阻擋層薄膜會(huì)對(duì)電池的光電性能產(chǎn)生不同的影響，在此過程中，引入阻擋層之后，能夠有效抑制其暗反應(yīng)的發(fā)生，進(jìn)而使得染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率能夠有效提高，并同時(shí)提高其開路電壓以及短路電流的轉(zhuǎn)化效率，同沒有引入阻擋層的染料敏化太陽能電池相比，光電轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較高。

通常情況下，在對(duì)納米晶半導(dǎo)體氧化物進(jìn)行研究時(shí)，較常研究的為TiO2，除此之外，還對(duì)ZnO、CdS、CdTe等各種納米晶半導(dǎo)體氧化物進(jìn)行研究分析?，F(xiàn)階段，對(duì)于納米晶結(jié)構(gòu)材料的研究以及應(yīng)用逐漸被廣泛關(guān)注，納米晶結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用與太陽能電池中，具有多種優(yōu)勢(shì)，如：制作成本低、穩(wěn)定性良好、光能轉(zhuǎn)化為電能的效率較高等[2]。

3 有機(jī)聚合物太陽能電池材料的應(yīng)用

有機(jī)聚合物太陽能電池材料的核心部件為聚合物光伏器件，此部件的共軛材料必須具備能夠完成光電荷傳輸以及吸收的過程，另外，應(yīng)用溶液刮涂成?；蛘呓z網(wǎng)印刷等方法，將可溶性聚合物進(jìn)行成膜。與此同時(shí)，聚合物材料存在于聚合物太陽能電池中，針對(duì)此材料，主要包括PPV、PTH、PANI等其他種類的聚合物材料。這些種類的聚合物，都能夠借助化學(xué)分子修飾或者摻雜，來達(dá)到調(diào)整材料電導(dǎo)性的目的，從而降低帶隙，進(jìn)而快速的吸收太陽光子。如：MEH-PPV，此種聚合材料，具有很高的吸收系數(shù)，能夠達(dá)到很強(qiáng)的吸收峰，當(dāng)吸收峰的系數(shù)達(dá)到最大值的過程中，聚合物薄膜吸入射光能源就能夠超過90%。在所有的聚合物當(dāng)中，PTH以及PPV這兩種聚合物，其都具有特殊的分子構(gòu)架以及光電性能，從而使得這兩種聚合物在聚合物太陽能研究的過程中，性能較為活躍。另外，聚合物太陽能除了共軛聚合物之外，富勒烯族材料由于具備較多的優(yōu)勢(shì)，在聚合物光伏電池中的應(yīng)用研究，也較為廣泛[3]。

相比之下，有機(jī)聚合物的材料具有較多優(yōu)勢(shì)，如：柔性較好，體重輕，制作成本低，且制作工藝簡(jiǎn)單，并且材料來源豐富等眾多特點(diǎn)，因此，將其應(yīng)用在太陽能中，能夠具有較為重要的意義，能夠?yàn)槿祟愄峁┝畠r(jià)的電能奠定良好基礎(chǔ)。從上世紀(jì)80年代，開始關(guān)注對(duì)于有機(jī)太陽電池的研究分析，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的研究，研究結(jié)果相對(duì)較為成熟且獲得了很大的進(jìn)展?，F(xiàn)階段，經(jīng)過研究，有機(jī)聚合物太陽能電池，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的效率最高能達(dá)到5.15%。此種太陽能電池，有機(jī)導(dǎo)電高分子聚合物或者敏化染料，是其電子給體，同時(shí)此太陽能電池的電子受體為非金屬材料，如：常見的為富勒烯C60及其衍生物，或者為其他種類的有機(jī)聚合物等。與此同時(shí)，此類電池的光電轉(zhuǎn)換是存在于D/A界面，并在此界面完成光能與電能的轉(zhuǎn)換，根據(jù)此種特性，此類電池同其他種類電池相比，可以做得很薄，更具便利性的特點(diǎn)。

太陽能電池制備的過程中，可能還會(huì)用到活性材料，通常會(huì)用到MEH-PPV、PCBM。同時(shí)，光伏的性能會(huì)受到陽極表面的處理情況的影響，并且與空穴傳輸材料的電導(dǎo)率以及光敏層的厚度等都有密切的聯(lián)系，都能夠?qū)夥男阅墚a(chǎn)生影響。最好的光伏特性，是在氧氣等離子對(duì)陽極進(jìn)行處理過程中，應(yīng)用高電導(dǎo)率的空穴傳輸材料，同時(shí)借助PEDOT對(duì)陽極進(jìn)行修飾，并且保持光敏層的厚度為180nm，使用銀或者鋁作為電極的情況，光伏特性可以維持最佳狀態(tài)[4]。

聚合物太陽能電池材料，具有多功能的光電特性，因此，此類電池材料的發(fā)展方向，可以朝四種方向進(jìn)行發(fā)展，第一種方向?yàn)榫哂锌烧{(diào)節(jié)的電特性以及光特性，第二種方向?yàn)椴僮鞴に嚤憷?，且同時(shí)能夠制作成可以控制厚度的大面積薄膜，第三種方向則為能夠與電子受體材料進(jìn)性良好的相溶，從而制作成復(fù)合體，且內(nèi)部具有均一的微結(jié)構(gòu)，第四種方向則為低成本，材料以及制備技術(shù)成本都相對(duì)較低。

4 結(jié)語

近些年來，太陽能電池材料通常采用硅材料，但是此技術(shù)相對(duì)不成熟，面臨較多的不足與問題。因此，為了能夠滿足人類對(duì)能量的需求，就需要對(duì)硅材料的提純技術(shù)進(jìn)行研究，發(fā)掘更為簡(jiǎn)單的技術(shù)，同時(shí)還需要研究采用新型的太陽能電池材料。太陽能電池產(chǎn)業(yè)在發(fā)展的過程中，對(duì)太陽能電池材料的研究以及創(chuàng)新技術(shù)，都具有十分重要的作用，每研究出一種新型材料或者技術(shù)之后，都會(huì)對(duì)太陽能電池技術(shù)帶來新的發(fā)展成果，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新材料以及新工藝逐漸被研究應(yīng)用，希望在不就的將來，太陽能電池能夠進(jìn)一步提高穩(wěn)定性。