有機(jī)太陽能電池的發(fā)展概論

尚修頡

摘要：隨著人類社會(huì)的發(fā)展，能源消耗日益增加，通過研究并應(yīng)用新能源來緩解能源危機(jī)被世界各國所重視，其中太陽能被廣泛地研究。本文以眾多太陽能應(yīng)用中重要的有機(jī)太陽能電池這一應(yīng)用作為研究對(duì)象，通過了解有機(jī)太陽能電池的結(jié)構(gòu)、材料、工作原理及性能，講述該應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀，并進(jìn)一步希望有機(jī)太陽能電池可以在未來得到廣泛的應(yīng)用。

Abstract： With the development of human society， energy consumption is increasing day by day. Research and application of new energy sources to alleviate the energy crisis has been valued by countries around the world， of which solar energy is widely studied. This article takes the organic solar cell application in many solar applications as the research object. By understanding the structure， materials， working principle and performance of the organic solar cell， the development status of the application is described， in hope of the wide application of the organic solar cell.

關(guān)鍵詞：有機(jī)太陽能電池;分類;工作原理;性能

Key words： organic solar cells;classification;working principle;performance

中圖分類號(hào)：TM914.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）03-0254-03

0? 引言

進(jìn)入二十一世紀(jì)，世界的發(fā)展需要各種能源進(jìn)行支撐。世界上的常規(guī)能源有：煤、石油、天然氣……但是這些資源的儲(chǔ)量有限，而且有一些自然資源已經(jīng)瀕臨枯竭，不能滿足人類當(dāng)前的發(fā)展需要。各種傳統(tǒng)的化石燃料在使用的過程中會(huì)大量產(chǎn)生溫室氣體和有毒氣體，如二氧化碳、二氧化氮、二氧化硫等，這些氣體的存在會(huì)導(dǎo)致全球氣候變暖、酸雨等自然災(zāi)害頻發(fā)，生態(tài)環(huán)境惡化，嚴(yán)重危害人類生活。針對(duì)這個(gè)現(xiàn)狀，各個(gè)國家都開始重視可持續(xù)性發(fā)展，并開始致力于發(fā)展可再生能源，比如，太陽能、風(fēng)能、水能、潮汐能等。在如此眾多的可再生能源中，太陽能可以算是應(yīng)用最廣的可再生能源。太陽能取之不盡，用之不竭的特點(diǎn)，讓它在眾多能源中脫穎而出，最重要的是，太陽能在使用過程中不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。若將地球每年接收的太陽能中的小部分轉(zhuǎn)化為電能，數(shù)量上也是非常可觀的。因此太陽能的開發(fā)和利用引起了各國的重視，其中太陽能電池由于可以實(shí)現(xiàn)將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，并為人所用而備受關(guān)注。

太陽能電池根據(jù)其生產(chǎn)原材料進(jìn)行分類，可以分成兩種：無機(jī)太陽能電池和有機(jī)太陽能電池。其中無機(jī)太陽能電池的研究起步較早并較為廣泛，但由于制作無機(jī)太陽能電池的材料成本較高，生產(chǎn)工藝也十分繁瑣，不利于其進(jìn)一步的大規(guī)模使用。而有機(jī)太陽能電池?zé)o污染，質(zhì)量輕，成本低，工藝簡單，原材料的來源廣，容易加工、大面積成膜，優(yōu)勢更加突出[1]。目前對(duì)于有機(jī)太陽能電池的研究已有了一定的研究成果[2]。因此，本文將主要對(duì)有機(jī)太陽能電池進(jìn)行深入了解，對(duì)有機(jī)太陽能電池的材料、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、性能和發(fā)展前景進(jìn)行分析，希望有機(jī)太陽能電池可以在未來得到廣泛的應(yīng)用。

1? 有機(jī)太陽能電池的分類

有機(jī)太陽能電池是一種可以直接或間接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的器件，其中有機(jī)半導(dǎo)體材料組成了電池的光電轉(zhuǎn)換材料。按照有機(jī)原材料種類的不同，有機(jī)太陽能電池可以被分成兩類，一類是有機(jī)小分子太陽能電池，另一種是有機(jī)聚合物太陽能電池。根據(jù)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同進(jìn)行分類，可以分為單層結(jié)構(gòu)、異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和疊層結(jié)構(gòu)。

1.1 材料分類

1.1.1 小分子材料

常見的有機(jī)小分子半導(dǎo)體材料有稠環(huán)芳烴類化合物、酞菁類化合物、卟啉類化合物、具有π—π共軛結(jié)構(gòu)的低聚物等。由于小分子可以相對(duì)容易地得到單晶態(tài)的薄膜，有利于對(duì)電荷的傳輸機(jī)制進(jìn)行研究。同時(shí)分子具有豐富的光電性質(zhì)，可以應(yīng)用在光電器件中。但由于器件的性能會(huì)受到小分子薄膜形態(tài)的影響，所以對(duì)于有機(jī)小分子半導(dǎo)體材料在實(shí)際器件中的應(yīng)用，目前面臨的最重要的問題是如何控制薄膜形貌。

1.1.2 有機(jī)聚合物材料

除了小分子，聚合物也可以作為有機(jī)半導(dǎo)體材料的原材料。研究較多的有機(jī)聚合物材料是聚噻吩及其衍生物。與小分子化合物相比，共軛聚合物由于具有π—π共軛體系，在一維維度上可以進(jìn)行延伸，有利于產(chǎn)生激子和點(diǎn)電荷載流子。同時(shí)通過設(shè)計(jì)聚合物的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其光吸收能力的控制。并且，聚合物具有較好的成膜性，便于后面進(jìn)一步的加工和應(yīng)用。

1.2 結(jié)構(gòu)分類

1.2.1 單層結(jié)構(gòu)

單層結(jié)構(gòu)是有機(jī)太陽能電池類型中最常見的，也是最早研究并成功使用的一種[3]。單層結(jié)構(gòu)是將單層的有機(jī)半導(dǎo)體材料嵌入電池的兩極之間。肖特基型電池就是一種單層結(jié)構(gòu)電池，但這種的電池非常容易發(fā)生能量損失，光電轉(zhuǎn)換效率很低。

1.2.2 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)

異質(zhì)結(jié)是指由不同半導(dǎo)體材料之間不同層次或區(qū)域之間形成的二維界面。其中異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池利用的是有機(jī)太陽能電池材料之間形成的異質(zhì)結(jié)。異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池主要有雙層異質(zhì)結(jié)、擴(kuò)散雙層異質(zhì)結(jié)、混合異質(zhì)結(jié)、p—n異質(zhì)結(jié)、體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池[4]。其中，體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是目前研究較為廣泛。

1.2.3 疊層結(jié)構(gòu)

疊層結(jié)構(gòu)有兩種，分別是串聯(lián)疊層和并聯(lián)疊層。串聯(lián)疊層電池是通過串聯(lián)兩個(gè)或者多個(gè)子電池，讓它們疊加在一起形成一個(gè)電池。普通的有機(jī)材料對(duì)于太陽光譜不能實(shí)現(xiàn)全波段吸收。但是使用了疊層結(jié)構(gòu)之后，每一個(gè)子電池的吸收波段可以進(jìn)行加和，從而達(dá)到對(duì)太陽光譜的全覆蓋吸收。并聯(lián)疊層電池與串聯(lián)疊層電池差別不大，區(qū)別是并聯(lián)疊層電池是將兩個(gè)或者多個(gè)子電池并聯(lián)疊加到一起形成電池。相對(duì)于串聯(lián)疊層電池的制作，并聯(lián)疊層電池的制作難度要更高。

2? 有機(jī)太陽能電池的工作原理和性能參數(shù)

2.1 工作原理

有機(jī)太陽能電池的工作原理是以“光伏效應(yīng)”為基礎(chǔ)，可以解釋為：有機(jī)半導(dǎo)體材料在吸收光能量之后會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，在內(nèi)建電場的作用下，進(jìn)一步發(fā)生分離并被相應(yīng)電極吸收，產(chǎn)生電動(dòng)勢。

2.2 性能參數(shù)

評(píng)價(jià)有機(jī)太陽能電池的性能參數(shù)主要有五個(gè)，分別是：開路電壓、短路電流、填充因子、光電轉(zhuǎn)換效率和能量轉(zhuǎn)換效率。

填充因子FF是指光電池的最大功率與當(dāng)光電池具有最大功率時(shí)的電壓和電流的乘積的比值。填充因子FF代表的是電池對(duì)外輸出最大輸出功率的能力，是評(píng)價(jià)太陽能電池質(zhì)量的重要光電參數(shù)之一[6]。

外量子效率（EQE）也稱為光電轉(zhuǎn)換效率，表示當(dāng)注入一個(gè)光子時(shí)，光電流所能提取得到的最多電子數(shù)，定義為提取得到的電子數(shù)與注入的光子數(shù)的比值。

能量轉(zhuǎn)換效率是指光電池的最大輸出功率與光電池單位面積上入射的光能量的比值。

其中，能量轉(zhuǎn)換效率是評(píng)價(jià)有機(jī)太陽能電池性能的主要參數(shù)。能量轉(zhuǎn)換效率越高的有機(jī)太陽能電池就說明在相同光照條件下轉(zhuǎn)換出的電能越多，性價(jià)比更高[7]。

3? 有機(jī)太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，在太陽能電池的商業(yè)化市場中，無機(jī)晶體硅太陽能電池仍然處于主導(dǎo)地位，占有極大部分的市場份額。但是，無機(jī)晶體硅太陽能電池存在著以下幾個(gè)問題：加工工藝非常復(fù)雜;對(duì)原材料要求十分苛刻;不容易進(jìn)行大規(guī)模的柔性加工;同時(shí)在生產(chǎn)過程中所需的一些材料具有毒性。因此可知，成本和資源分布限制其進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)，而進(jìn)一步提高太陽能電池的性能，降低成本，減少對(duì)環(huán)境的污染是未來無機(jī)晶體硅太陽能電池發(fā)展的主要方向。相對(duì)于無機(jī)太陽能電池，有機(jī)太陽能電池有以下優(yōu)點(diǎn)：①有機(jī)太陽能電池的材料來源比無機(jī)太陽能電池的來源更加廣泛，廉價(jià)，環(huán)境穩(wěn)定性更高，光伏效應(yīng)更好，材料質(zhì)量輕，有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)，制備、提純、加工性能好。②有機(jī)太陽能電池的加工制備工藝更加簡單，生產(chǎn)過程中的能耗比無機(jī)材料更低，生產(chǎn)過程中對(duì)環(huán)境影響較小。③由于有機(jī)太陽能電池的產(chǎn)品都是半透明的，所以它可以用于裝飾和應(yīng)用，并且色彩可以選擇。

在有機(jī)太陽能電池的太陽能轉(zhuǎn)化為電能的過程中，并不是所有的激子分離和遷移都是有效的。如果想讓光能更為有效地轉(zhuǎn)化為電能，需要做到以下幾點(diǎn)：首先，有機(jī)半導(dǎo)體材料的吸收光譜要盡量實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光的全覆蓋;第二，吸收光子后要可以產(chǎn)生足夠多的自由載流子，第三，需要載流子抵達(dá)外電路之前盡量降低損耗。因此限制有機(jī)太陽能電池發(fā)展的劣勢主要集中在以下幾點(diǎn)：①有機(jī)材料分子之間的相互作用力很弱。②有機(jī)半導(dǎo)體材料吸收光譜的波段不寬，對(duì)太陽光的覆蓋范圍不夠，使其光電轉(zhuǎn)換效率低。③有機(jī)半導(dǎo)體在吸收光后會(huì)產(chǎn)生激子，但激子的擴(kuò)散距離很短。并且激子在一般的有機(jī)材料中傳輸速度不快，在通過半導(dǎo)體薄膜時(shí)會(huì)因?yàn)榧ぷ訌?fù)合造成損失，使得有機(jī)太陽能電池的實(shí)際轉(zhuǎn)化效率很低[8]。④在有氧和水存在時(shí)，有機(jī)太陽能電池的有機(jī)半導(dǎo)體材料是很不穩(wěn)定的，這使得有機(jī)太陽能電池面臨著低效率、短壽命這兩個(gè)關(guān)鍵問題。

目前的有機(jī)太陽能電池仍然處于研究階段，并不能投入使用。但是在各國研究人員的努力下，有機(jī)太陽能電池的各個(gè)問題正在得到逐一改善。目前，已逐步發(fā)現(xiàn)一些有機(jī)太陽能電池可以應(yīng)用的領(lǐng)域，比如：通信衛(wèi)星的供電。相比傳統(tǒng)無機(jī)硅電池，有機(jī)太陽能電池具有質(zhì)量輕、厚度薄的特點(diǎn)，并且同體積展開后，有機(jī)太陽能電池可以擁有更大的受光面積，進(jìn)而有效地提高光電利用率。同時(shí)，在電腦、無線鼠標(biāo)、計(jì)算器等小型電子設(shè)備上也可以使用，縮小電子產(chǎn)品的體積。因?yàn)橛袡C(jī)太陽能電池生產(chǎn)出來后是半透明的，而且電池顏色也可以更改，所以可以作為辦公樓的外墻或者在房頂鋪設(shè)有機(jī)太陽能電池，便于通過吸收太陽能進(jìn)行發(fā)電供樓內(nèi)使用[9]。

4? 總結(jié)和展望

本文從有機(jī)太陽能電池的三個(gè)方面進(jìn)行講述，說明了有機(jī)太陽能電池的結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用前景。和無機(jī)太陽能電池相比，有機(jī)太陽能電池的原材料來源更為廣泛，制備工藝更為簡單，對(duì)環(huán)境污染較小，應(yīng)用前景也更加廣闊。有機(jī)太陽能電池越來越受到人們的關(guān)注，但是相對(duì)于無機(jī)太陽能電池來說，有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率依然較低，非常容易發(fā)生能量損失，而且不穩(wěn)定，壽命也短，因此想要大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)并投入使用還有很長的一段路要走。但是目前世界各國都在致力于發(fā)展有機(jī)太陽能電池，并取得了一定的成果。相信在未來，當(dāng)有機(jī)太陽能電池的所有難題都被解決，走進(jìn)人們生活中的時(shí)候，它將會(huì)被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，為解決能源危機(jī)提供堅(jiān)實(shí)的力量。

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