探析有機光電外墻板在建筑用墻板中的應用

李洪民

1 前言

近幾年，有機光電材料被應用到各行各業(yè)，其在建筑材料行業(yè)中的應用催生了新型有機光電外墻板的誕生。與普通外墻板相比，有機光電外墻板能夠?qū)⒄丈湓趬Π迳系奶柲芨咝实霓D(zhuǎn)化為電能，具有組裝方便、便于運輸和卸載的優(yōu)點，值得被大面積的推廣應用。

2 有機光電材料概述

有機光電材料指的是具備光電轉(zhuǎn)換功能的有機材料，其主要是通過一定的化學或物理方法將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。機理是光誘導電子發(fā)生轉(zhuǎn)移反應。在當前金屬礦物質(zhì)、傳統(tǒng)化石能源相繼枯竭的局面下，有機光電材料的問世有效緩解了我國能源枯竭問題，其在建筑用外墻板上的應用，能夠有效降低建筑能耗，促進建筑行業(yè)的節(jié)能減排。在實際的建筑用墻板應用上，光電轉(zhuǎn)換材料最主要的用途是用來制作太陽能電池。以往的太陽能電池多為硅太陽能電池，成本高昂不說，還有著工藝復雜、材料要求苛刻等缺點，而有機光電材料成本低、重量輕，能夠完美的替代硅太陽能電池在建筑用墻板中的作用。

常見的有機光電材料種類有空穴傳輸材料、電子傳輸材料、小分子發(fā)光材料、高分子光電轉(zhuǎn)換材料、修飾化高分子光電轉(zhuǎn)換材料、材料符合-功能耦合高分子光電轉(zhuǎn)換材料、高分子復合物光電轉(zhuǎn)換材料、半菁類有機小分子光電轉(zhuǎn)換材料、修飾性半菁類有機分子光電轉(zhuǎn)換材料九種。早在20 世紀50 年代到80 年代中期，人們就研究出了高電壓、低效率、低亮度的光電材料（蒽單晶1963），1987—1990 年，美國Eastman Koda公司的Vanslyke 和鄧青云經(jīng)過研究發(fā)明了EL 機器雛形，到了1990年以后，劍橋大學的Burroughs等人在實驗中成功將聚苯撐乙烯（PPV）預聚體制作成薄膜，創(chuàng)造了單層結(jié)構聚合物電致發(fā)光器件（EL），至此有機光電材料的研究成了科研界的熱門課題。

3 我國當前的建筑用墻板應用現(xiàn)狀

如今，人們對公共建筑及住宅需求有所增長，帶動了建筑行業(yè)的繁榮發(fā)展，催生了全球建筑墻板市場。據(jù)相關研究數(shù)據(jù)表明，2024 年的全球建筑墻板市場規(guī)模將達1020 億美元，2019年—2024年的復合年增長率高達4.3%。同時，舊建筑物改造與新建筑物建造以及酒店行業(yè)的快速發(fā)展，都會使未來幾年的建筑墻板市場呈現(xiàn)爆發(fā)性的增長趨勢。與其他建筑墻體相比，建筑墻板不僅具備較高的成本消息，還擁有較高的穩(wěn)固性，能夠承受住風暴、地震等自然災害的侵蝕。

在當前的建筑用墻板應用上，為了貫徹國家提倡的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略方針，建筑行業(yè)開始采用更為節(jié)能環(huán)保、節(jié)約空間，利用廢氣建筑材料二次制作的新型建筑墻體材料，代替污染大、成本高、能源消耗高的傳統(tǒng)建筑墻板材料。為此，我國還頒布了一系列相關的政策用來禁止紅磚等傳統(tǒng)建筑材料在建筑外墻中的使用及生產(chǎn)，力求推動新型建筑墻體的研發(fā)和應用。

為了將環(huán)保節(jié)能理念貫徹到底，未來的建筑墻體材料應朝著更為節(jié)能、強度更高、質(zhì)量更輕、廢材利用率更高的復合材方向發(fā)展。在國家大力宣傳、引導及資金的支持下，我國的科研人員已經(jīng)研發(fā)出了水泥木屑板、GRC 板、FC輕質(zhì)復合板、3D 板、硅鈣板等新型建筑板材料。本文詳細介紹的一種建筑用墻板屬于新型有機光電外墻板，其利用化學方法和物理方法，能夠?qū)⒄丈湓诮ㄖw上的太陽能快速轉(zhuǎn)換為電能，增加太陽能利用率，降低建筑能耗。

4 有機光電外墻板的結(jié)構分析

有機光電外墻板的組成有墻體、安裝結(jié)構架、有機光電組件、插槽、集線器、通孔等，其中，有機光電外墻板的墻體為特定面積的一塊方形板，該方形板內(nèi)部部分中空，設有空腔，空腔內(nèi)安置插槽，外側(cè)有專門設置的用于與其他材料和墻體進行固定連接用的安裝結(jié)構；有機光電組件是固定安置在安裝架上的，借助安裝架與插槽的配合，將有機光電材料與建筑墻體予以固定連接。

有機光電外墻板不僅設有專門的結(jié)構用來與建筑墻體連接，其有機光電組件更是設有多個反式單層元件，每個反式單層元件都是借助連接件加以固定連接，且其輸出端分別連接正負極引線，凡是單層原件由第一電極與第二電極、位于二者間的電洞傳遞層、光活性層、電子傳遞層組成，其中，電極之間必須有一個具備光學透明性，且第一電極是銀金屬的電極。當?shù)诙姌O是ITO電極時，光活性層必須使用P型高分子半導體材料加以制作。在實際使用中，可以在有機光電反式單層元件中設置機光電組件，大幅度提升光電轉(zhuǎn)換效率，還可以對機光電外墻板的安裝結(jié)構實行巧妙設計，讓有機光電外墻板的安裝變得更為方便便捷，利于運輸和拆卸。

再者，還可以在墻體內(nèi)部設置集線器，用來減輕墻體外部集線器安裝和應用對墻體造成的損害，確保整體建筑外墻體的干凈、利落。為此，建筑用外墻體內(nèi)部必須有一個或多個通孔，且至少保障一個通孔能夠與外墻體的外部連通，以此密切墻體設置蓄電裝置和太陽能控制器的連接，利用正負極引線與集線器，將墻體蓄電裝置與太陽能控制器加以連接，二者都應設置在墻體外側(cè)，以便后期的維修和更換。

在建筑墻體的施工安裝上，施工人員需要設置專門的凹陷部和凸起部來安裝太陽能機組。通常情況下，凸起部多設置在墻體的側(cè)邊上，凹陷部設置在墻體的另一側(cè)邊上。需要注意的是，凹陷部與凸起部的中軸對稱線需與兩者的大小和形狀匹配，讓整個有機光電墻板的安裝更為方便快捷。對部分降雨較多的地區(qū)，為了提高有機光電墻板的使用效率與安全性，工作人員會對有機光電組件表面進行防水處理，使用防水材料為其設置防水層，優(yōu)化有機光電外墻板的防水特性，同時延長有機光電外墻板的使用壽命。

另外，有機光電外墻板的有機光電組件是用粘合膠粘連固定到墻體安裝架上的，安裝架也是用粘合膠粘連固定到插槽內(nèi)。為了保障有機光電組件的牢固性和安全性，必須謹慎選擇粘合膠和密封膠，通常選用EVA 膠層或PVB 膠層完成粘合，這兩種粘合膠不僅具有較好的粘合效果，而且質(zhì)量較輕，能夠減輕墻體材料重量。最后，有機光電外墻板的墻體材料通常選用PC墻體，該墻體能夠同時保障墻體強度和需求。最新問世的新型機光電外墻板，使用新型反式單層元件構成有機光電組件，太陽能轉(zhuǎn)換效率有顯著的提升。

5 有機光電外墻板在建筑用墻板中的實施技術及工藝流程

由于有機光電外墻板為方形板，且板內(nèi)設有空腔，內(nèi)置插槽，在墻板兩側(cè)設有用來與其他墻體實現(xiàn)固定連接的設置，需要先將機光電組件固定在安裝架上，然后借助插槽與安裝架的連接將有機光電組件固定在建筑外墻體上。安裝選用的有機光電組件第一電極應為銀金屬電極，第二電極為ITO 電極，兩者間的光活性層必須由P 型高分子半導體材料制作而成。如果業(yè)主或開發(fā)商提供的有機光電組件不滿足該條件，技術人員需要求業(yè)主或開發(fā)商更換。

由于PV2000設備具備優(yōu)良的大氣穩(wěn)定性，能夠應用各類濕式印刷制程技術，對軟性PET塑膠基材實行涂布，能夠呈現(xiàn)出最佳性能表現(xiàn)，薄膜厚度可達250nm～300nm。在溶液涂布的制作上具備較佳的再現(xiàn)性與均勻性控制。同時，由PV2000設備制作出來的單層元件熱穩(wěn)定性在110℃以上，將其置于80℃/65% RH的大氣測試環(huán)境下，不會出現(xiàn)任何明顯劣化；其模擬光源（1000W/m2）元件的穩(wěn)定性測試結(jié)果大于20000h，具有七年以上的使用壽命。將有機光電組件表面制成亞光形式且鋪設防水涂層，可以大大降低太陽反射帶來的光學污染，延長組件使用壽命，帶給用戶更佳的使用體驗。

此外，有機光電外墻板墻體內(nèi)部還設置了集線器、一個或數(shù)個通孔，這些通孔中至少有一個是能夠與墻體外部連接的。設置通孔的目的一方面是減輕墻體材料的自身重量，保障使用安全，防止因材料字體重量過大而出現(xiàn)安全問題，另一方面是用來將集線器或其他組件的輸出線引到墻外，與其他墻體或設備加以連接，便于設備進行安裝和運輸。再者，有機光電外墻板墻體內(nèi)部還設有蓄電裝置和太陽能控制器的連接元件，通過內(nèi)部安置的電池保護裝置與蓄電裝置完成連接。當有機光電外墻板出現(xiàn)短路、過溫、電池多度放電等異常情況時，電池保護裝置會自動啟動，切斷對蓄電裝置與太陽能控制器的供電，保護用電終端和電池。

除此之外，太陽能集熱器與蓄熱裝置，也安裝在有機光電外墻板墻體內(nèi)部的空腔上。其中，太陽能集熱器通過與水泵、蓄熱裝置、熱水器的連接，組成一個完整的太陽能熱水系統(tǒng)回路，將太陽能轉(zhuǎn)化成熱能，并借助蓄熱裝置加以儲存；而蓄熱裝置則與新風系統(tǒng)裝置、熱水器進行分別連接，新風系統(tǒng)裝置內(nèi)部搭載的有等離子體凈化器，熱水器借助熱水管與空氣熱交換器連接，新風系統(tǒng)裝置利用空氣熱交換器產(chǎn)生的負壓帶動室內(nèi)空氣的循環(huán)流通，再通過安裝在新風系統(tǒng)裝置進風口的等離子體凈化器，對流入室內(nèi)的空氣加以凈化，保障室內(nèi)空氣的清新干凈。

部分建筑外墻體的外側(cè)安裝了保溫層，由于保溫層與墻體間存在縫隙，導致墻體與保溫層間形成了利于空氣流動的結(jié)構風道，風道的上下部分別設置有進風口和出風口，該風口配合太陽能集熱器同時使用，能夠有效解決有機光電組件運行過程中產(chǎn)生的自熱，降低組件溫度，防止發(fā)生過熱，以增大組件利用率。

6 結(jié)束語

綜上所述，隨著可持續(xù)發(fā)展理念與環(huán)保理念在各行業(yè)各的不斷深入，建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型勢在必行。為了解決當前建筑行業(yè)存在的高消耗、高污染問題，應當貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略方針，建筑行業(yè)及相關的研究人員必須加大對節(jié)能環(huán)保新型建筑材料的研究、推廣和應用，有效解決當前建筑行業(yè)存在的能源浪費及能源消耗嚴重問題。由此可以看出，可持續(xù)發(fā)展是建筑行業(yè)未來的主要前行方向，新型環(huán)保材料在建筑行業(yè)中的運用，能夠為建筑行業(yè)的長遠進步帶來助力。