有機光伏材料與器件研究的新進展

東營職業學院 張 霄

在當今全球能源高度緊張的背景下，由于高科技的快速發展，對太陽能發電領域的科技開發已經成為一個標志性起點，對光伏效應的太陽能電池的充分利用是當今高科技發展背景下清潔能源利用的根本目的，同時也是現代較熱門的研究對象，原因在于傳統無機材料的太陽能電池生產工序較為復雜，生產成本較高，設備較為昂貴，材料的選擇不夠便利，并且能量轉換效率不理想等一系列原因，導致其發展受到了阻礙。

目前，光伏電池的發展方向主要有：進一步使太陽能電池性能得到改善、降低太陽能電池的制造成本，同時還要重視減少因大規模大批量的生產給環境帶來的不利影響。近幾年，由于導電聚合物的研究與開發，大大提高了開發低成本的有機聚合物光伏電池的可能性，有機光伏電池的主要具備有機化合物種類多樣化，有機分子的化學結構較容易修飾，化合物的提純與制備的加工工序較簡便等主要優點，同時還較容易制造柔性器件、特別形狀的期間以及大面積器件等，然而當前有機光伏太陽能電池與傳統的無機太陽能電池相比，其光能與電能之間的轉化能力還處于劣勢，所以，其研究的重點是在于如何提升有機光伏電池的光電轉換率。有機光伏太陽能電池與傳統的無機碳楊能電池的工作原理較為相近，二者都是以半導體界面的光能福特效應為基礎進行發電工作。

在當前的太陽能電池中，傳統的無機太陽能電池在理論及研究方面發展較為成熟，然而有機半導體光伏太陽能電池依然處在理論構思和研究過程當中。

一、有機光伏材料的介紹

有機光伏材料與無機材料的基本區別在于有機光伏材料中的光生激子之間具有強烈的束縛作用，一般都是緊密的束縛在一起，通常不會出現自動分離而形成單獨的電荷；其電荷是通過跳躍的方式在規定區域內進行分子傳輸工作，并非帶內傳輸，因而其遷移率較低；相對于太陽光光譜來說，對于光的波長吸收范圍較為狹窄，但其吸收系數很高，100納米的薄膜就可以收集到較強的光密度；有機材料一般在有水條件下與有氧條件下處于不穩定狀態；對于其本身是一維半導體的情況來說，其本身的電能與光性都各自具有較高的各向區別，這種特性可以為器件的研究設計帶來很大的利用價值。

分子鏈中能夠通過部分離域的不同軌道來完成光能吸收和電荷傳輸等過程，同時分子鏈中還存在共軛體系是有機光伏材料器件的激活材料所必須具有的功能。有機光伏材料還可以按照相應的機械性能與加工性能分為可溶材料、不溶材料、為榮材料以及液晶材料。其中一般包括小分子、低聚物分子、高聚物分子、液晶分子等。能夠吸收可見光線的低聚物或者單體物質，稱之為發色團，在此基礎上，根據其本身的可溶性分為染料和顏料，一般可溶性較強或具備一定溶解性的被稱為染料，沒有溶解性或具備較弱溶解性的稱為顏料。在通常情況下，激活層材料所具備的溶解性能決定著有機光伏材料電池的制作工藝。在制作過程中，對于可溶性較強的染料以及可溶聚合物應采用溶液旋轉涂抹的方法或刮涂成膜等方法，對于不溶或難溶的顏料分子主要采用真空積沉法成膜，晶體顏料分子則應使用物理蒸發成膜的方式來對其進行加工，本文重點概述有機光伏材料中的高分子材料與低分子材料。當今主要用于有機光伏器件研究的材料有噻吩（PTH）衍生物、聚對苯（PPP）衍生物、聚苯乙炔（PPV）衍生物、聚苯胺（PANI）等一系列高分子材料，這些聚合物基本具有較大的共軛系統，可以利用相應的摻雜或者化學分子修飾來使材料的導電性能得到調節。

圖1 有機光伏電池的基本工作原理

由于液晶分子具備很高的電子荷載遷移率同時具有較長的激子擴散長度，因而在近幾年的有機光伏材料太陽能電池研究中得到重視，液晶分子材料會在一定的溫度范圍內介于固態與液態之間，在這種狀態之下，其分子更加便于重新排列或自行組合，同時還能夠充分發揮自身的機械性能，所以晶體分子對光伏電池的研究與應用方面發揮了更加有利的作用。

二、有機光伏電池的基本工作原理

有機光伏電池的基本工作原理相近于無機太陽能電池原理，其基本原理如下：

1、有機光伏器件在經過一定的光照后，會將具有能量的光子吸收到半導體層內，從而激發電子從價帶到導帶之間的移動，同時在價帶區域留出空隙，這種空隙通常被稱為“空穴”，這樣的空穴中帶有正電荷。

2、傳統半導體內的被激發電子和通過上述過程所形成的空穴之間會出現自由的反電極方向運動，同時在導電聚合物體中所受入的射光子激發而形成的電子與空穴之間會產生相互束縛作用，從而形成激子。

3、通常情況下，這些電子與空穴的形成都是有光子的激發作用來完成的，如若在電場之內或在電場的界面位置上，這些電子與空穴所形成的組合將會產生分離活動，形成單獨的電子與空穴，這也就是人們所說的帶電荷載流子，它們的互相遷移運動就形成了光能電流，如圖1所示。

然而有機材料的機子奮力活動與移動現象并不是全都有效的，因此，為了時光能更加有效地向電能轉變，務必要具備以下幾個具體條件：首先，在有機光伏材料太陽能電池中的激活區域內的采光條件必須要好，光能吸收量一定要大；其次，在對光子進行吸收后所產生的自由何在電流子必須要有足夠的數目，從而使內部電場的存在表現得更加清晰；最后，在其中所產生的荷載電流子要盡可能的降低自身損耗量來向外部電路進行電能輸送工作，從而使光能與電能的轉換率有所提高。

然而在效果上并沒有達到預定要求，事實上的光能向電能轉換過程中依然有大量損耗現象的存在，是有機光伏材料太陽能電池的實際使用效率變得很低。在光能向電能轉換的過程中會受到不同因素的影響，從而大量損耗，在光吸收的過程中，光能的折射與反射作用會使光能有大量的損耗，從而影響了光電轉換效率，在激子產生的過程當中，激子復合也會導致能量流失，另外在光轉換過程中的激子擴散、電荷分離、電荷傳輸、電荷收集等各個環節中也存在不同的能量流失，直接導致了有機光伏材料太陽能電池使用率降低。

三、有機光伏材料的未來發展趨勢與研究方向

通過人們近幾年對有機光伏材料進行研究與開發，并對其技術不斷深入創新后，在有機光伏材料太陽能電池的研究方面取得了相當豐碩的成果，并獲得了開路高電壓的發電方法，短路電流的發生幾率以及填充因子影響率也比傳統的無機太陽能電池低很多，較低光電流的形成原因是由于光能吸收率不夠所造成的，除此之外，光電流較低的形成原因還由于電流在產生的過程中電阻對其本身的影響所造成的額外損耗，然而填充因子的形成是由于地點和在傳輸過程中出現的高復合影響所造成的。因此，應重點研究一下幾個關鍵點：

1、提高光能吸收率，并相應的改善光能吸收環境。在此過程中一般采取具有紅外光能吸收的聚合材料以及共軛結晶染料，同時還要改善設備的受光條件，要保證設備安置在陽光充足的地點，使其光能接受率有所提高。

2、充分利用高有序的液晶材料和具備較高流動性能的聚合材料，從而使光電流產生條件得到改善，從而有利于降低光電能的損耗量。

3、加強器件設備的優化性能與穩定性能，器件性能的提高無非是降低電能損耗量的有效途徑之一。

4、加強對有機光伏材料性能的了解，同時了解相關器件的使用性能，只有掌握了有機光伏材料的性能才會使該材料能夠更好地發揮其應有的作用。

與此同時，高效有機光伏材料器件還應該具備光誘導的電荷產生與分離或產生的電荷及時傳輸到電極等因素，并需要在同一種材料中同時完成這兩個不同的過程，決定郵局光伏器件效率的基本因素在于怎樣才能有效的完成這一過程。

多功能的有機光伏材料在未來發展中應通過分子設計朝著電光特性的可調節性、加工簡單并能支撐較大面積的薄膜可控制度的方向發展，同時還要求有機光伏材料能夠與其他材料進行良好的融合，并保證材料成本與技術成本較低。

在器件方面應采取以下措施來進行期間優化階段：首先，要加強金屬電極的優化，使其達到“歐姆接觸”，從而能夠更有效的收集光能，其次，在對D/A對匹配進行優化的同時還要加強對共軛聚合物帶隙的調整，以便于更好的接收光能，最后，還要注重優化相分離復合材料的網絡微結構，以便于其載流子的產生效率與傳送效率的提高，與此同時還需要求點和載流子在復合體中的不同分組吸收與移動達到最大數值，經過上述對器件方面的優化措施，使有機光伏材料的光電轉換率得到有效提升。

四、結束語

由于有機光伏材料在近幾年內的研究與應用得到快速發展，并取得了良好的成果，經有關數據統計，目前有機光伏材料的光電轉換率已經達到了新高，這一成果主要歸功于該領域中廣大的研究人員的不懈努力，相信通過不懈的努力會使有機光伏材料在未來的清潔能源發展中發揮更好的作用。

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