有機(jī)太陽(yáng)能電池中無(wú)機(jī)材料的應(yīng)用研究

張琨

摘要：隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)清潔能源太陽(yáng)能的不斷利用研究，其中有機(jī)太陽(yáng)能電池的利用，能夠帶給人類帶來(lái)更多的能源。在有機(jī)太陽(yáng)能電池中，其中需要運(yùn)用到有機(jī)半導(dǎo)體材料或者無(wú)機(jī)材料作為緩沖層，由于無(wú)機(jī)材料的應(yīng)用效果更加明顯，并且購(gòu)買(mǎi)成本更加低廉，于是將其運(yùn)用于有機(jī)太陽(yáng)能電池中能夠有更大的效益。本文將主要研究有機(jī)太陽(yáng)能電池中無(wú)機(jī)材料的應(yīng)用。首先對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池的工作原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，然后再具體分析無(wú)機(jī)材料三個(gè)方面的應(yīng)用，分別為在陽(yáng)極緩沖層的應(yīng)用、在活性層中的應(yīng)用和作為陰極緩沖材料的應(yīng)用。無(wú)機(jī)材料的類型比較多，不同類型的無(wú)機(jī)材料應(yīng)用到有機(jī)太陽(yáng)能電池中會(huì)有不同的應(yīng)用效果，所以文中會(huì)對(duì)不同無(wú)機(jī)材料的作用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：有機(jī)太陽(yáng)能電池;無(wú)機(jī)材料;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TQ050.4+21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）12-0065-04

當(dāng)今世界，能源匱乏問(wèn)題無(wú)處不在，對(duì)各國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展都起到了一定的制約作用，而且在一定程度上也給環(huán)境造成了影響，使得各國(guó)都開(kāi)始對(duì)新能源進(jìn)行開(kāi)發(fā)。其中太陽(yáng)能是一種取之不盡的新型能源，對(duì)該能源進(jìn)行利用，可以緩解化石能源缺乏的問(wèn)題。當(dāng)前，對(duì)于太陽(yáng)能電池的研究有了一定程度的突破，對(duì)各行各業(yè)的發(fā)展將會(huì)有一些良好的影響。有機(jī)太陽(yáng)能電池主要有三個(gè)部分組成，分別為正電極、負(fù)電極和光活性層。在有機(jī)太陽(yáng)能電池中其對(duì)太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化效率與緩沖層有著很大的聯(lián)系，所以為了提高太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化效率，需要對(duì)緩沖層進(jìn)行深刻的研究。緩沖層的材料是對(duì)緩沖層的作用起到直接的影響，常見(jiàn)的材料包括有機(jī)半導(dǎo)體材料和無(wú)機(jī)材料。其中有機(jī)半導(dǎo)體材料有著很豐富的種類，而且也能夠起到很好的效果，但是其成本較高，制約了其發(fā)展。而無(wú)機(jī)材料不僅能夠發(fā)揮很好的應(yīng)用效果，比有機(jī)半導(dǎo)體材料的效果好，而且成本還比較低，所以將其運(yùn)用到有機(jī)太陽(yáng)能電池中更為適合具有更好的實(shí)際價(jià)值。于是本文將研究無(wú)機(jī)材料在有機(jī)太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用。

1 有機(jī)太陽(yáng)能電池的原理及結(jié)構(gòu)

有機(jī)太陽(yáng)能電池的原理就是通過(guò)光伏器件將太陽(yáng)能的光能轉(zhuǎn)化為電能。首先太陽(yáng)光照射在有機(jī)材料上，然后有機(jī)材料將光子進(jìn)行吸收，當(dāng)這些光子的能量高于有機(jī)材料的禁帶寬度時(shí)，才能生產(chǎn)出激子，只有在激子的作用下然后通過(guò)內(nèi)建電場(chǎng)，這些激子就會(huì)分離，然后各自朝向不同的電極運(yùn)動(dòng)，有機(jī)太陽(yáng)能電池的兩極就會(huì)收集到激子運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)能，再將電池的兩極接到外電路，這種電動(dòng)勢(shì)能就會(huì)形成電流，于是就達(dá)到了將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能的作用。該整個(gè)過(guò)程就是有機(jī)太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)要工作原理。

最開(kāi)始的有機(jī)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)是肖特基結(jié)構(gòu)，由于其發(fā)明時(shí)間較早，所以其結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，就是在兩個(gè)電極之間放人一個(gè)有機(jī)半導(dǎo)體材料，而且這種半導(dǎo)體材料比較簡(jiǎn)單、單一，其對(duì)太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化效率很小。于是后來(lái)就有研究者對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化、創(chuàng)新，于是相繼發(fā)了雙層異質(zhì)結(jié)器件、本體異質(zhì)結(jié)器件、分子D-A結(jié)器件以及級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)器件[1]。這四種不同類型的有機(jī)太陽(yáng)能電池的是在前者的基礎(chǔ)上不斷的進(jìn)行優(yōu)化后所得到的性能升級(jí)的電池。其中異質(zhì)結(jié)器件與肖特基結(jié)構(gòu)相比，提高了太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化效率，但是器件還不夠穩(wěn)定[2]。級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)是用兩個(gè)或兩個(gè)以上的電池通過(guò)串聯(lián)的方式組合起來(lái)作為一個(gè)器件，如圖1所示。因?yàn)橐环N材料的能力是有限，將不同的材料運(yùn)用于一個(gè)器件中就能夠達(dá)到更大的作用，能力更加廣泛，對(duì)于不同的光譜，不同的材料其中就會(huì)對(duì)不同的光譜起到作用，如果只有一種材料，那么這種材料就只能對(duì)一種光譜起到作用。所以該種方式與之前的電池結(jié)構(gòu)相比，效率提高更加的明顯，電池的穩(wěn)定性也會(huì)更好[3]。

2 有機(jī)太陽(yáng)能電池中無(wú)機(jī)材料的應(yīng)用

根據(jù)上文所分析的有機(jī)太陽(yáng)電池的工作原理和結(jié)構(gòu)，還分析了電池材料的發(fā)展，然后接下來(lái)將研究其應(yīng)用，主要研究三個(gè)方面的應(yīng)用，分別為在陽(yáng)極緩沖層的應(yīng)用、在活性層中的應(yīng)用和作為陰極緩沖材料的應(yīng)用。這三個(gè)方面是無(wú)機(jī)材料在有機(jī)太陽(yáng)能電池的中的主要應(yīng)用點(diǎn)，接下將對(duì)其進(jìn)行具體分析。

2.1在活性層中的應(yīng)用

活性層屬于無(wú)機(jī)材料的一部分，將無(wú)機(jī)材料用于活性層中能夠發(fā)揮重要的作用。一般情況下，無(wú)機(jī)材料在活性層中的應(yīng)用有四類材料，這四類無(wú)機(jī)材料分別為納米硅、鉻化合物、金屬氧化物和能級(jí)低的納米粒子。這四類材料都會(huì)各自的特點(diǎn)，其發(fā)揮的作用也不一樣，接下來(lái)將對(duì)這4類無(wú)機(jī)材料在有機(jī)太陽(yáng)能電池活性層中的應(yīng)用進(jìn)行具體分析。

2.1.1納米硅

納米硅的性質(zhì)是沒(méi)有毒，且無(wú)害的一種有機(jī)材料，該類別的有機(jī)材料的主要優(yōu)勢(shì)就是具有很好的電子遷移率，在感受到陽(yáng)光時(shí)，能夠很大程度的吸收太陽(yáng)能，納米硅能夠作為受體結(jié)構(gòu)，于是才可以發(fā)明太陽(yáng)能電池。納米硅在有機(jī)太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用方式就是線列陣，這種作用方式能夠在讓有機(jī)太陽(yáng)能電池具有很好的吸收可見(jiàn)光和近紅外線的作用，還能夠?qū)﹄娮舆w移率進(jìn)行大幅度的提升。納米硅是有機(jī)太陽(yáng)能電池中是直接串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，將電池內(nèi)部的電池進(jìn)行增大，對(duì)電子轉(zhuǎn)移進(jìn)行了簡(jiǎn)化，還對(duì)太陽(yáng)能傳送過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化?？傊?，納米硅在有機(jī)太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用能夠發(fā)揮非常重的作用。

2.1.2鉻化合物

鉻化合物與納米硅一樣都是以無(wú)機(jī)受體的方式在有機(jī)太陽(yáng)能上應(yīng)用。該類無(wú)機(jī)材料的應(yīng)用主要作用就是對(duì)太陽(yáng)能電池的電子傳輸效率進(jìn)行了很大的提高。比如，球形鉻化合物應(yīng)用于電池的器件中時(shí)，球形鉻化合物表面存在一層絕緣層，該絕緣層能夠很大程度的限制電池的電荷傳輸，這樣就會(huì)對(duì)電池的電子傳輸效率有真提高的作用。比如，CdS這種無(wú)機(jī)材料作為受體，能夠提高電荷的收集效率和分離效率。JiangXX等人以垂直的CdS列陣作為受體，通過(guò)研究MEH-PPV在CdS表面的不同作用方式，通過(guò)使用退火處理的方式對(duì)器件的性能影響[4]。如圖2所示，研究了兩種的作用方式，分別為浸涂和旋涂，兩種方式都對(duì)PCE進(jìn)行大幅度的提高，浸涂提高了4倍，旋涂提高了2倍。

2.1.3金屬氧化物

在有機(jī)太陽(yáng)能電池中金屬氧化物有兩種，一種是氧化鋅，另一種是氧化鈦，這兩種無(wú)機(jī)材料都能在有機(jī)太陽(yáng)能中發(fā)揮作用。氧化鋅是一種N型的半導(dǎo)體無(wú)機(jī)材料，所以具有非常好的電子傳輸特性，比一般的金屬氧化物的高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以將其運(yùn)用到有機(jī)太陽(yáng)能電池中具有比較好的優(yōu)勢(shì)。但是氧化鋅也有一個(gè)缺點(diǎn)就是其應(yīng)用的化學(xué)穩(wěn)定性有點(diǎn)不好，特別的當(dāng)其運(yùn)用到有機(jī)太陽(yáng)能電池的酸堿環(huán)境中，所以在應(yīng)用氧化鋅時(shí)，有機(jī)太陽(yáng)能電池一定要注意，所以當(dāng)今對(duì)太陽(yáng)能電池的研究中，對(duì)于氧化鋅的穩(wěn)定性研究是一個(gè)非常重要的方面，一旦能夠提高氧化鋅的化學(xué)穩(wěn)定性將會(huì)在有機(jī)太陽(yáng)能電池中發(fā)揮更大的價(jià)值和具有更加廣泛的應(yīng)用。

第二種氧化鈦是一種有序的納米粒子，應(yīng)用于有機(jī)太陽(yáng)能電池中最主要的作用就是能夠建設(shè)較好的電荷傳送途徑，就能夠?qū)﹄姾傻氖占蔬M(jìn)行提高，因?yàn)檠趸\能夠大面積的與有機(jī)太陽(yáng)能電池進(jìn)行接觸，接觸面積越大，對(duì)于電荷收集效率就會(huì)越有利。與氧化鋅相比，氧化鈦的化學(xué)穩(wěn)定性更加好，透光性能也比較好，雖然氧化鈦的電子傳輸性能還可以，但是沒(méi)有氧化鋅的好，由于氧化鋅不穩(wěn)定，所以當(dāng)前對(duì)于氧化鈦在有機(jī)太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用更加的廣泛。

2.1.4能級(jí)低的納米粒子

該類型的無(wú)機(jī)材料的主要作用就是對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池提高太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化率，因?yàn)橛袡C(jī)與無(wú)機(jī)體相結(jié)合使是會(huì)對(duì)無(wú)機(jī)物的波長(zhǎng)進(jìn)行改變的。能級(jí)低的納米粒子在有機(jī)太陽(yáng)能電池的使用位置為對(duì)光的吸收區(qū)域，放在該區(qū)域就能夠?qū)μ?yáng)能的轉(zhuǎn)化率進(jìn)行提高，還能夠?qū)d流子的復(fù)合量進(jìn)行減少。所以能級(jí)低的納米粒子應(yīng)用在有機(jī)太陽(yáng)能電池中能提高對(duì)光的吸收率。

2.2作為陰極緩沖材料的應(yīng)用

有機(jī)太陽(yáng)能電池其自身有一個(gè)很大的缺點(diǎn)就是穩(wěn)定性比較差，所以在使用過(guò)程中容易出現(xiàn)問(wèn)題，為了解決這種穩(wěn)定性差的問(wèn)題，可以將無(wú)機(jī)材料作為陰極緩沖材料，這樣就可以提高太陽(yáng)能電池的問(wèn)題性。這種提高穩(wěn)定性的原理是使用無(wú)機(jī)材料作為緩沖層，設(shè)置位置為電池有機(jī)層和陰極之間，這樣就可以當(dāng)做是兩者的接觸層，而不是讓電池有機(jī)層與陰極進(jìn)行直接的接觸，這樣就可以提高有機(jī)太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性，減少電阻，保護(hù)有機(jī)層，最終可以達(dá)到對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池的壽命延長(zhǎng)作用。作為有機(jī)太陽(yáng)能電池的緩沖層的材料主要有三個(gè)種類，分別為氟化鋰、氧化錳和氧化鈦。下面將對(duì)其一一進(jìn)行介紹。

2.2.1氟化鋰

氟化鋰的主要作用就是對(duì)陰極層進(jìn)行裝飾作用，設(shè)置在陰極層的表面，還能夠?qū)﹃帢O層進(jìn)行保護(hù)。對(duì)陰極層進(jìn)行裝飾作用的原理是首先應(yīng)用氟化鋰在電池中，會(huì)降低有機(jī)太陽(yáng)能電池中的A1的功函數(shù)，然后在陰極界面就會(huì)產(chǎn)生偶極子，它具有很好的擴(kuò)散性，能夠很快的擴(kuò)散到有機(jī)層中，于是對(duì)有機(jī)層進(jìn)行了一定的修飾作用。但是氟化鋰的厚度設(shè)置得不科學(xué)，也將會(huì)影響使用效果，所以在應(yīng)用氟化鋰時(shí)要能夠合理的對(duì)厚度進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，讓其發(fā)揮對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池中陰極層的保護(hù)作用。

2.2.2氧化錳

氧化錳的作用與氟化鋰一樣，其主要作用就是對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池的陰極層進(jìn)行保護(hù)與修飾的作用。其發(fā)生保護(hù)與修飾作用中需要運(yùn)用到真空蒸鍍法，然后讓氧化錳的效果達(dá)到更好。

2.2.3氧化鈦

氧化鈦?zhàn)鳛殛帢O緩沖材料，其主要作用也是對(duì)陰極層進(jìn)行保護(hù)。因?yàn)樵谟袡C(jī)太陽(yáng)能電池中應(yīng)用氧化鈦能夠讓空穴移動(dòng)到陰極層中，于是起到保護(hù)的作用。在保護(hù)過(guò)程中氧化鈦的工作就是傳輸和收集電子，也可以當(dāng)?shù)诙住Ｑ趸伈捎玫氖谴?lián)方式，且涂抹方式為旋涂，這樣可以讓氧化錳在有機(jī)太陽(yáng)能電池中發(fā)揮更加好的效果。如圖3所示，它是由Hansel等人所研制的，該器件通過(guò)使用氧化鈦無(wú)機(jī)材料，能夠讓電子收集能力變大，還對(duì)解離激子效率[5]。

2.3在陽(yáng)極緩沖層的應(yīng)用

有機(jī)太陽(yáng)能電池中陽(yáng)極緩沖層使用無(wú)機(jī)材料的最主要的作用就是修飾陽(yáng)極[6]。作為修飾陽(yáng)極緩沖層的無(wú)機(jī)材料類型和厚度不同，對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池的影響效果也是不一樣的。作為陽(yáng)極緩沖層的無(wú)機(jī)材料一般會(huì)使用到以下三種材料，分別為三氧化鉬、三氧化鎢和氧化鎳，下面將介紹這三種無(wú)機(jī)材料在陽(yáng)極緩沖層中的應(yīng)用表現(xiàn)。

2.3.1三氧化鉬

三氧化鉬在陽(yáng)極緩沖層中有一個(gè)特殊的作用，就是專門(mén)應(yīng)用在電池的紅外線中，所以讓其具有特殊性，在紅外線中使用，可以對(duì)光的吸收率有一個(gè)很大的提高，對(duì)電池的能量轉(zhuǎn)化也會(huì)有一個(gè)很大的提高。

2.3.2三氧化鎢

三氧化鎢在陽(yáng)極修飾層中能夠提高器件的效率。Han等人研究了三氧化鎢作用于陽(yáng)極中的應(yīng)用效果，得出結(jié)論為通過(guò)使用三氧化鎢能夠?qū)ζ骷械妮d流子復(fù)合效率降低，是器件的效率能夠達(dá)到3.1%[7]。

2.3.3氧化鎳

氧化鎳在陽(yáng)極修飾層中的主要作用就是保障了電池的工作效率。Steirer等人對(duì)ITO/PEDOT：PSS/P3HT：PCBM/Ca/A1器件進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)通過(guò)使用氧化鎳作為陽(yáng)極修飾層，如圖4所示，然后再通過(guò)一系列的處理，最后得出使用氧化鎳能夠提高器件的性能，而且氧化鎳的厚度也會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生影響，當(dāng)厚度為10納米時(shí)，器件的性能是最優(yōu)的[8]。

將無(wú)機(jī)材料應(yīng)用于電池中作為陽(yáng)極緩沖材料不僅能對(duì)提高工作效率、修飾陽(yáng)極層，還能夠防止電機(jī)與有機(jī)層中出現(xiàn)電化學(xué)現(xiàn)象，對(duì)載流子收集效率是由一個(gè)很大的提高?？偟膩?lái)說(shuō)將無(wú)機(jī)材料應(yīng)用于有機(jī)太陽(yáng)能電池中對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性是會(huì)有很大的提升。

3 結(jié)語(yǔ)

無(wú)機(jī)材料應(yīng)用于有機(jī)太陽(yáng)能電池發(fā)揮的作用有很多，不同的無(wú)機(jī)材料的作用不一樣，通過(guò)使用無(wú)機(jī)材料，讓合適的無(wú)機(jī)材料運(yùn)用到電池合適的地方，能夠提高有機(jī)太陽(yáng)能電池的光能轉(zhuǎn)化效率，能夠讓電池運(yùn)行得更加穩(wěn)定，更有助于電池在當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展。隨著將來(lái)我國(guó)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)機(jī)材料的應(yīng)用效果將會(huì)更加的明顯，目前，對(duì)于無(wú)機(jī)材料的開(kāi)發(fā)還只是一部分，如果能夠開(kāi)發(fā)出無(wú)機(jī)材料的全部?jī)?yōu)勢(shì)，然后將其運(yùn)用于有機(jī)太陽(yáng)能電池中，對(duì)社會(huì)的作用將會(huì)更大，人民的生活將會(huì)更加美滿。

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