聚合物太陽能電池光伏材料的研究進展

摘 要：光伏材料是太陽能電池的專用材料，指的是能夠將太陽能直接轉化為電能的材料。聚合物太陽能的響應方式，是與傳統(tǒng)無機太陽能電池的光電響應方式非常不同的現(xiàn)代工作方式。聚合物太陽能電池的器件結構、工作原理、光電效應，以及電能的產生過程有其特殊性?；仡櫰浒l(fā)展歷程，為提高聚合物太陽能電池效率的途徑總結、研究太陽能電池的使用壽命，以及今后未來的發(fā)展指明了方向。

關鍵詞：聚合物;太陽能電池;光伏材料;新能源

前言：太陽能電池中的光伏材料能夠把太陽能直接轉化為電能，而以聚合物為主體的光伏材料將有效的產生伏特效應。近幾年來，廣大企業(yè)紛紛發(fā)現(xiàn)了聚合物太陽能電池生產成本低廉、輕薄靈活、光伏材料分子結構可設計性強的優(yōu)點。提升光電轉化效率，改善電池結構，優(yōu)化光伏材料的選擇，改變電池組裝技術等等，是強化聚合物太陽能電池工作原理的法寶。

一、聚合物太陽能電池發(fā)展的歷程

太陽能作為一種容易獲取，且安全、清潔、無污染的新型能源，為現(xiàn)代人解決能源危機提供了嶄新的思路。太陽能來制造有效的太陽能電池技術，最早是由實用性的單晶硅電池拉開序幕的。而后經歷了無機化合物、半導體太陽能電池、有機小分子太陽能電池，以及聚合物太陽能電池等幾個歷史發(fā)展階段。

與其他幾種太陽能電池相比，人們發(fā)現(xiàn)聚合物太陽能電池的原料應用較為廣泛，而且生產成本較低，其光伏材料可以自行設計，而且在制備柔性器件時其優(yōu)勢非常明顯。聚合物太陽能電池中的P型材料工作原理比較簡單，只要當光照射到聚合物的電池材料之后，光子就會被迅速的吸收。激子產生之后，擴散到給體受體的接觸界面，而后自由分離，分離結果往往是成自由電子和空穴。

聚合物太陽能電池的電能轉化原理，是在內建電場的驅動之下，自由電子通過豎體材料的通道，直接遷移到陽極，而空穴則通過給體材料通道繼續(xù)遷移到陰極。需要特別關注的是，現(xiàn)代聚合物太陽能電池的光敏層結構，優(yōu)化的光敏層結構將對于未來太陽能電池的發(fā)展趨勢給予更好的推動。

二、聚合物太陽能電池的開發(fā)原理及必要性

聚合物太陽能電池是一種有機的太陽能電池，由于其使用光伏材料，因此也被稱之為有機光伏電池。使用有機半導體材料作為實現(xiàn)光電轉化效應的電池材料，在吸收光子之后，常常激發(fā)了各自電極，這是一種太陽能電池產業(yè)化發(fā)展過程中實現(xiàn)有機太陽能電池大幅度和大規(guī)模推廣的歷程。聚合物太陽能電池的導電性能使得其在制造輕薄型的輕質電池以及高分子聚合物電池方面的應用，前景十分廣闊。聚合物太陽能電池通常的器件活性層可以做到很薄，該厚度僅為0.1um，就可以很好的達到光能的吸收，因此，各大企業(yè)及相關產業(yè)希望能夠使得聚合物太陽能電池更大規(guī)模的走入到商品化市場。新能源領域目前作為國家經濟發(fā)展過程中極為重要的一個發(fā)展方向，對于未來太陽能電池的發(fā)展趨勢提出了新的要求和展望，軍用行業(yè)、以及民用和商用行業(yè)，都希望能夠更好的應用聚合物太陽能電池，因此，研究該類型電池的材料演變過程具有非常積極的意義及必要性。

三、聚合物太陽能電池光伏材料的發(fā)展演變

（一）聚合物太陽能電池光敏層的結構

聚合物太陽能電池由聚合物光敏層、陰陽極組成，并且需要部分調節(jié)光的附加層共同輔助發(fā)揮作用，聚合物光敏層的性能對于整個電池的性能起到的作用是至關重要的，由于其結構往往是采用PPV制備單層結構器件，因此其早期的聚合物太陽能電池可能由于半導體材料較為單一，導致光敏層的光吸收不能很好的覆蓋太陽光譜。這就造成了對于太陽光資源的浪費，而且使得聚合物太陽能電池的光電響應反應有更大的提升空間。為了避免單層結構器件自由電子負荷濃度過低，從而能夠解決單層結構電池能源能效較低的長效問題，研究者開始將注意力逐漸的轉移到異質結構類型的聚合物太陽能電池研究領域。通過太陽能電池發(fā)光和應用實踐的有關數(shù)據(jù)及案例可以發(fā)現(xiàn)，雙層結構以及混合結構的異質結構太陽能電池，其分效性和電能轉換效率將更高。雙層結構電池可以使得聚合物材料的光譜吸收率更高，但是由于在太陽光譜匹配度方面注重聚合物材料的電荷傳輸能力，激子傳輸速率不能很好的傳輸?shù)浇Y合面，也使得很多電子能源被白白浪費。而體異質結構類型的聚合物太陽能電池，由于使用D相和A相相互滲透，能夠非常良好的結合成網絡中的連續(xù)相共混薄膜，電子和空穴不容易接近，反而大幅度提高了能量的轉化效率。

（二）聚合物太陽能電池光伏材料

聚合物太陽能電池的光伏材料，主要指的是其電子給體和電子受體，這兩大類材料的結構直接影響了聚合物太陽能電池的正常工作。目前，應用較為廣泛的聚合物太陽能電池光伏受體材料，往往使用的是無機半導體納米晶類材料。這利用了無機納米晶載流子牽引率高，化學性能較為穩(wěn)定而良好的特點。無機納米晶體常常使用CdS、Cdse、Zno、TiO2等等材質共同混合，經過實驗測算可以發(fā)現(xiàn)，其能量轉化率已經達到39%～160%。聚合物太陽能電池光伏材料的受體材料發(fā)展速度較為迅速，但是人們也發(fā)現(xiàn)了在半導體納米晶與聚合物溶液混合的過程中，可能會出現(xiàn)分離性比較差，容易發(fā)生聚集情況的問題。雖然聚合物受體材料通過對于主鏈使用不同取代基，促使其電子受體性能提升，但是由于載荷傳輸能力較低，該器件的能量轉換效率仍然有提升的空間。

（三）聚合物太陽能電池光敏材料的優(yōu)化展望

近幾年來在光電領域內應用非常廣泛、經常被使用制作電子光能器件的材料為3聚苯撐乙烯，PPV類的給體材料具有良好的溶解性，且容易修飾。雖然其對于可見光覆蓋區(qū)域比較狹窄，而且?guī)遁^大，但是仍然可以采用改進聚合方法、區(qū)域性規(guī)整等方式實現(xiàn)更加有序的分子結構排列。另外，研究者認為引入不同的取代基團，也可以達到很好的電載流子遷移率，從而能夠更好的提升聚合物太陽能電池的使用壽命。

為了能夠優(yōu)化光敏層膜的微觀形貌，依靠聚合物的自我組合形成非常良性的嵌段共聚物質，利用二者的光學形態(tài)不相容，結合PLLA的生物可降解性，在層面實現(xiàn)微相分離之后，能夠形成特定而有序的納米尺度。在未來，可降解的PLLA將會得到更加廣泛的應用，使得C60的完美嵌入提供了很好的通道，這種負荷的共混聚合物其本體與傳統(tǒng)的太陽能電池相比將更加穩(wěn)定，而且能夠顯著的提升載流子的遷移效率，提高整個器件的光電響應效率。

總結

聚合物太陽能電池光伏材料的發(fā)展，與傳統(tǒng)的無機太陽能電池相比具有非常明顯的優(yōu)勢，人們在設計合成材料的時候，希望能夠更好的控制和優(yōu)化光敏層材料的微觀形貌。電池器件結構對于材料的吸光強度有明顯的要求，而在載流子遷移率提升的研究過程中，電池的制作工藝也將顯著的影響其使用壽命。之所以展開該研究，就是希望能夠隨著研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)并制造具有更強穩(wěn)定性，更低生產成本和更高光電響應效率的聚合物太陽能電池光伏材料，從而能夠為人們的日常生活和其他各個領域帶來更便利的電能供應。

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作者簡介：

趙雨琪， 出生年月：1998年7月，性別：女，籍貫： 吉林白城，學歷：本科，專業(yè)：材料科學，任職單位：湘潭大學材料學院，主要研究方向：新能源材料及開發(fā)等方面。