具有重大應(yīng)用前景的綠色能源技術(shù)——有機(jī)光伏電池

推薦單位：北京能源與環(huán)境學(xué)會(huì)

科研代表：侯建輝

成果來源：中國科學(xué)院化學(xué)研究所

轉(zhuǎn)化作者：楊礫

太陽能作為清潔能源之一，已經(jīng)被人們廣泛應(yīng)用。太陽能熱水器、太陽能路燈等已經(jīng)屢見不鮮，利用太陽能給手機(jī)充電也是許多人的期待。太陽能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行充電和加熱，實(shí)際上是光能向電能的轉(zhuǎn)化。如果在光的照射下就能給手機(jī)充電，我們就不用擔(dān)心手機(jī)突然沒電而到處尋找電源了。有光就能充電，還是隨走隨充，想想都覺得比共享充電寶方便。你可能想象不到，光能轉(zhuǎn)化為電能得以實(shí)現(xiàn)，依靠的可能是一塊兒像一張報(bào)紙一樣、色彩繽紛的小薄片——有機(jī)光伏電池。

有機(jī)光伏電池是什么

自20世紀(jì)50年代有機(jī)化合物的半導(dǎo)體性質(zhì)被發(fā)現(xiàn)以來，相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家合成了大量具有光、電、熱和磁等功能的化合物，并對(duì)它們的性質(zhì)、器件制備進(jìn)行了深入研究。有機(jī)光電功能材料作為一種具有光電活性的有機(jī)材料，能有效實(shí)現(xiàn)光能與電能之間的轉(zhuǎn)換，被廣泛應(yīng)用于有機(jī)太陽能電池、有機(jī)發(fā)光二極管、有機(jī)晶體管等領(lǐng)域。

簡(jiǎn)單來講，有機(jī)光伏電池就是將光能轉(zhuǎn)化為電能的 “中間商”，是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的新型光伏電池。有了它就可以利用光能為我們服務(wù)，讓我們享受到綠色清潔的能源。

有機(jī)光伏電池有多大

有機(jī)光伏電池的尺寸面積可大可小，其大小可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同進(jìn)行調(diào)節(jié)。其面積大的時(shí)候可以是無限的、連續(xù)的柔性薄膜;面積小的時(shí)候可能就只有5～10平方厘米，就像腕表的表帶大小一樣。在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最常制備的有機(jī)光伏電池和指甲蓋大小差不多，這種尺寸的多是用于實(shí)驗(yàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以在實(shí)驗(yàn)室做出十幾平方厘米，甚至100平方厘米的有機(jī)光伏電池。另外，如果在制作印刷的過程中，考慮一邊印刷一邊卷起來的話，制作出的有機(jī)光伏電池的面積就可以是一個(gè)連續(xù)的寬度，最后得到看起來像塑料地膜一樣的大面積電池。

更輕柔、更多彩、更實(shí)惠

與無機(jī)光電材料相比，有機(jī)光電材料具有明顯的優(yōu)勢(shì)：質(zhì)量輕、柔韌性好;易于進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)修飾、裁剪和合成，無資源存量的限制;器件制備工藝簡(jiǎn)單，可采取印刷、噴墨、打印等溶液加工方法，成本低;易于制作大面積、柔性器件，等等。

有機(jī)光伏電池的光伏轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵功能層只有100納米的厚度，其主要重量來自柔性的基板，一塊有機(jī)光伏電池就像一張報(bào)紙一樣，又輕又薄。此外，有機(jī)光伏電池用于光電轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵材料為高分子有機(jī)材料，具備柔性的特點(diǎn)，可以把它做成大規(guī)模柔性器件。

有機(jī)光伏電池是半透明的，可以調(diào)節(jié)顏色，使其絢麗多彩，可用于裝飾。建筑物外墻五顏六色的玻璃，在陽光下閃閃發(fā)光，它們可能并不是簡(jiǎn)單的玻璃，而是能將吸收的光能轉(zhuǎn)化為電能的建筑功能一體化的有機(jī)光伏玻璃。這種玻璃在作為裝飾物的同時(shí)，還將光能轉(zhuǎn)化為電能，為室內(nèi)供電。有機(jī)光伏電池多彩的特點(diǎn)源于有機(jī)材料相對(duì)于無機(jī)材料來說，它的吸收光譜可以在大范圍內(nèi)調(diào)制。通過調(diào)制，有機(jī)光伏電池就能呈現(xiàn)出多彩的外觀。

國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜乙苍诜e極探索，希望能發(fā)展出轉(zhuǎn)化效率高、透光、多彩的建筑功能一體化的光伏玻璃。中國科學(xué)院化學(xué)研究所研究員侯建輝介紹，目前，用于建筑外墻或是窗戶的稍微高端一些的玻璃大都是夾層玻璃，即兩層玻璃，中間空隙充入氮?dú)?，其?shí)充入氮?dú)獾哪且粚泳褪呛芎玫乜梢园延袡C(jī)光伏電池引入的地方。這樣，就能實(shí)現(xiàn)玻璃既透光、好看多彩，又能將光能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行使用。

此外，與無機(jī)太陽能電池使用的材料相比，有機(jī)半導(dǎo)體材料的原料來源廣泛且廉價(jià)，加工制備的工藝簡(jiǎn)單和靈活，生產(chǎn)能耗也更低。

有機(jī)光電功能材料具有多樣化的結(jié)構(gòu)組成和寬廣的性能調(diào)節(jié)空間，可以通過分子設(shè)計(jì)來獲得所需的性能，已經(jīng)成為發(fā)光領(lǐng)域以及光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和前沿，成為21世紀(jì)化學(xué)及材料科學(xué)領(lǐng)域重要的研究方向之一。

轉(zhuǎn)化室內(nèi)弱光的獨(dú)特功能

未來，有機(jī)光伏電池除了能用在我們熟知的室外太陽能路燈、沙漠戈壁的光伏農(nóng)場(chǎng)等處，它還能用在接觸不到太陽光的室內(nèi)。但沒有太陽怎么進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換呢？

有機(jī)光伏電池有一個(gè)獨(dú)特的功能，一個(gè)其他類型的光伏電池不具備的功能，就是能將室內(nèi)的弱光高效地轉(zhuǎn)化為電能。這個(gè)功能使有機(jī)光伏電池有望成為驅(qū)動(dòng)在室內(nèi)使用微電池產(chǎn)品的動(dòng)能的來源。侯建輝介紹，科技組里已經(jīng)展示了有機(jī)光伏電池這一功能的應(yīng)用潛力——將有機(jī)光伏電池安裝在一個(gè)具備無線通信功能的濕度傳感器上，這個(gè)傳感器就再也不需要充電了，只要把它放在室內(nèi)光能照到的地方，它就可以不斷通過無線傳輸?shù)姆绞礁嬖V電腦終端這里的濕度是多少。

上述例子只是一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用，如果把有機(jī)光伏電池和其他微電子產(chǎn)品整合起來，它就可以賦予一些低能耗的微電子產(chǎn)品無電源化設(shè)計(jì)的獨(dú)特解決方案。

有機(jī)光伏電池轉(zhuǎn)化效率如何

光伏電池并不能把光能百分之百轉(zhuǎn)化為電能，前面提到光伏電池是將光能轉(zhuǎn)化為電能的 “中間商”，這就像“中間商賺差價(jià)”一樣，從光能向電能轉(zhuǎn)化的過程是有損耗的，能轉(zhuǎn)化多少、損耗多少，這和光伏電池的效率有關(guān)。有機(jī)光伏電池效率體現(xiàn)在兩類效率上，一是廣泛用來評(píng)估光伏電池將光能轉(zhuǎn)化為電能效率的對(duì)標(biāo)準(zhǔn)太陽光的轉(zhuǎn)化能力，二是在應(yīng)用場(chǎng)景下的光電轉(zhuǎn)化效率。

光伏電池標(biāo)準(zhǔn)太陽光下的光電轉(zhuǎn)化效率，是用來評(píng)估所有的光伏電池在室外太陽光直射條件下，光伏電池將光能轉(zhuǎn)化為電能的能力。有機(jī)光伏電池能達(dá)到的效率在18%左右。侯建輝領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)制造的大面積涂覆的有機(jī)光伏電池——具有出色可加工性的有機(jī)光伏電池，其效率達(dá)到17%～18%。這個(gè)效率和現(xiàn)在較為成熟的無機(jī)晶硅光伏電池還存在一定的技術(shù)上的差距，無機(jī)晶硅光伏電池的轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到25%左右。

在光伏電池或者光伏轉(zhuǎn)化裝置在應(yīng)用場(chǎng)景下的光電轉(zhuǎn)化能力方面，有機(jī)光伏電池在某些環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)景中具有一定的優(yōu)勢(shì)。例如，在室內(nèi)弱光環(huán)境下，有機(jī)光伏電池對(duì)室內(nèi)光的轉(zhuǎn)化效率比無機(jī)光伏電池更高。在室內(nèi)光下，有機(jī)光伏電池的效率可以達(dá)到30%以上，而在同樣的室內(nèi)光照條件下，無機(jī)光伏電池以及其他類型的電池，其效率約為5%（甚至更低），遠(yuǎn)低于有機(jī)光伏電池。這是有機(jī)光伏電池適合于在室內(nèi)光條件下應(yīng)用的一個(gè)重要原因。

在兩類效率上，有機(jī)光伏電池有它的“特長(zhǎng)”——對(duì)室內(nèi)光轉(zhuǎn)化效率高，但在室外的應(yīng)用它還略有短板，有待提高。

有機(jī)光伏電池的未來發(fā)展方向

可再生清潔能源是非常理想的能源，不受能源短缺影響的同時(shí)還環(huán)保、安全、無污染，但受到自然條件影響，水力、風(fēng)力、太陽能等發(fā)電成本相對(duì)較高，需要較高的投入和維護(hù)費(fèi)用，其轉(zhuǎn)化效率也不夠高。

就太陽能（光能）的有效利用來說，光伏電池的能量轉(zhuǎn)換效率、壽命和成本是決定其是否具有應(yīng)用價(jià)值的重要指標(biāo)，侯建輝介紹，未來他們將在這三方面進(jìn)行努力探索。在光伏效率方面，他們需要使有機(jī)光伏電池達(dá)到或接近現(xiàn)有的成熟光伏技術(shù)的同等水平，把光伏效率提高到22%，甚至接近25%的水平。另外，因?yàn)闆]有批量化制備和專門設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的材料，現(xiàn)在的有機(jī)光伏電池的材料合成成本比較高，未來還需要使現(xiàn)在的有機(jī)光伏材料的合成成本大幅度降低，滿足未來產(chǎn)業(yè)化的需求。在有機(jī)光伏電池壽命方面，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試來看，有機(jī)光伏電池在實(shí)驗(yàn)室光照條件下照射幾千個(gè)小時(shí)完全沒有問題。但是在室外條件下，太陽光不僅有光的特征，還會(huì)帶來熱，有機(jī)光伏電池必須解決在室外太陽光直射下的穩(wěn)定性問題。因此，效率、成本、穩(wěn)定性是有機(jī)光伏電池未來要解決的關(guān)鍵問題。

此外，未來有機(jī)光伏電池在研究制備的過程中，綠色環(huán)保方面的問題也要關(guān)注。在有機(jī)光伏電池發(fā)展之初，采用的整個(gè)工藝并不是環(huán)保的，其實(shí)現(xiàn)在高效率電池大多數(shù)都不是采用環(huán)保工藝制備出來的。所謂環(huán)保工藝，印刷本身是低能耗的，從能耗角度來說，它是環(huán)保的;但是印刷有機(jī)光伏電池時(shí)必須要用到油墨，也就是我們處理有機(jī)光伏材料所使用的有機(jī)溶劑，現(xiàn)在大多數(shù)的高效率電池都采用有毒的溶劑進(jìn)行加工，這是其中隱含的很大的問題。關(guān)于這個(gè)問題，國內(nèi)外專家都開展了前瞻性的工作，比如，侯建輝團(tuán)隊(duì)已經(jīng)可以完成在制備過程中替代掉以前的有毒溶劑，采用綠色的制備工藝得到高效率的有機(jī)光伏電池?？梢哉f，有機(jī)光伏電池未來在制備中是可以達(dá)到相對(duì)環(huán)保的。