淺談?dòng)袡C(jī)太陽能電池技術(shù)

摘 要:能源問題日益成為制約國際社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，越來越多的國家開發(fā)太陽能資源，尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力，太陽能電池應(yīng)運(yùn)而生。有機(jī)太陽能電池作為其中的一種，以制備工藝簡單、環(huán)境穩(wěn)定性高、光伏效應(yīng)良好等優(yōu)點(diǎn)，日益被人們所重視。

關(guān)鍵詞:有機(jī)太陽能電池 工作原理 特點(diǎn) 發(fā)展

中圖分類號(hào):TM61文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)04(b)-0025-01

1 有機(jī)太陽能電池的特點(diǎn)

有機(jī)太陽能電池與無機(jī)太陽能電池的最大區(qū)別在于半導(dǎo)體材料，有機(jī)太陽能電池的半導(dǎo)體是有機(jī)材料，而無機(jī)太陽能電池的半導(dǎo)體是無機(jī)材料。有機(jī)材料與無機(jī)材料相比，毒性較小，不會(huì)造成環(huán)境的污染，是更清潔的能源。

2 有機(jī)太陽能電池的原理及材料

2.1 工作原理

有機(jī)太陽能電池以具有光敏性質(zhì)的有機(jī)物作為半導(dǎo)體材料，以光伏效應(yīng)而產(chǎn)生電壓形成電流。具體的工作過程如下:光子入射到光敏材料，光敏材料在激發(fā)作用下，分子間作用力發(fā)生變化，材料內(nèi)部產(chǎn)生大量的游離電子和空穴對(duì)。游離的電子和空穴對(duì)在靜電勢(shì)能作用下導(dǎo)致分離，隨之產(chǎn)生定向移動(dòng)，電子移向負(fù)極，孔穴移向正極，被接觸電集收集，然后在正負(fù)電極之間產(chǎn)生光電壓。當(dāng)外部電路被接通時(shí)，內(nèi)部形成的電流被釋放，外電路形成工作回路。需要注意的是，在游離電子和空穴對(duì)形成的過程中，光子的能量是決定光伏效應(yīng)能否正常發(fā)生的關(guān)鍵性因素。

描述有機(jī)太陽能電池性能的主要參數(shù)有:

(1)短路電流Isc，開路電壓Voc。這兩個(gè)參數(shù)都是在已知功率(W)和能量的光照下測(cè)量的。

(2)用來表示由于器件的電阻而導(dǎo)致的損失的參數(shù)填充因子(FF)

FF=(IV)max/IscVoc

(3)表示電池主要性能的參數(shù)能量轉(zhuǎn)換效率(ηp)

ηp=Pout/Pin=(IV)max/LA

ηp=FF IscVoc/LA

(4)外量子效率(EQE)

EQE=外部電路電子數(shù)/入射光子數(shù)

2.2 電池的有機(jī)材料

1)有機(jī)小分子化合物

酞菁類化合物和芘類化合物是典型的有機(jī)小分子化合物，同時(shí)也是有機(jī)太陽能電池的重要半導(dǎo)體基礎(chǔ)材料。酞菁類化合物具有典型的p-型結(jié)構(gòu)，可以很好的吸收600～800nm光譜區(qū)域內(nèi)的太陽光線;芘類化合物具有典型的n-型結(jié)構(gòu)，可以較強(qiáng)的吸收400～600nm光譜區(qū)域內(nèi)的太陽光線。

2)有機(jī)大分子化合物

共軛聚合物是具有半導(dǎo)體性質(zhì)的有機(jī)大分子化合物，可以制作成各種光電器件。通過研究發(fā)現(xiàn)，共軛聚合物與電致發(fā)光二極管配合使用，可以組成基于共軛聚合物的有機(jī)太陽能電池，且使用效果良好。

3)模擬葉綠素材料

有機(jī)太陽能電池的半導(dǎo)體材料來源廣泛，種類眾多。人類從綠色植物的光和作用中受到了啟發(fā)，研制出了新型的有機(jī)半導(dǎo)體材料—模擬葉綠素材料。研究人員發(fā)現(xiàn)，植物的葉綠素之所以可以將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，關(guān)鍵在于葉綠素分子受到光的激發(fā)后，產(chǎn)生出分離態(tài)的電荷，電荷分離狀態(tài)維持1s左右，在這短短的時(shí)間內(nèi)，已經(jīng)足以使產(chǎn)生的電荷產(chǎn)生輸出。研究人員受此啟發(fā)，合成了具有如下結(jié)構(gòu)的化合物C-P-Q。

3 有機(jī)太陽能電池的不足

3.1 從光能到電能的轉(zhuǎn)化效率低

高分子材料由于無定型結(jié)構(gòu)的原因，分子間作用力弱，光照射后生成的光生載流子主要在分子內(nèi)的共軛價(jià)鍵上運(yùn)動(dòng)，而在分子鏈間的遷移比較困難，使得高分子材料載流子的遷移率一般很低，因此，形成光伏效應(yīng)的環(huán)境較弱。此外，有機(jī)太陽能電池與無機(jī)太陽能電池的光伏效應(yīng)原理不同，無機(jī)太陽能電池的光生載流子通過直接吸收光子產(chǎn)生，而有機(jī)太陽能電池是先生產(chǎn)激子，然后再通過激子的離解產(chǎn)生自由載流子，這樣形成的載流子容易成對(duì)復(fù)合。這些原因都導(dǎo)致有機(jī)太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率較低。

3.2 電能穩(wěn)定性低

造成有機(jī)太陽能電池電能穩(wěn)定性低的原因主要有兩個(gè):一是由有機(jī)染料制作的有機(jī)太陽能電池半導(dǎo)體，電阻高，會(huì)造成很大的電能損耗，降低電流的通量;二是有機(jī)太陽能電池的載流子遷移率低，會(huì)影響轉(zhuǎn)換電流的強(qiáng)度。

4 結(jié)語

無機(jī)太陽能電池的研究和發(fā)展已經(jīng)相對(duì)成熟，不管是從材料的研發(fā)還是從開發(fā)思路上來講，都值得有機(jī)太陽能電池技術(shù)的發(fā)展借鑒。在技術(shù)研發(fā)中，要充分利用現(xiàn)有資源和無機(jī)太陽能電池技術(shù)已經(jīng)取得的成果，拓展創(chuàng)新思路，加快新技術(shù)的研發(fā)腳步。在半導(dǎo)體材料方面，不管是無機(jī)材料還是有機(jī)材料，都會(huì)有其優(yōu)缺點(diǎn)。如何將無機(jī)材料電能轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)與有機(jī)材料來源廣泛，工藝簡單的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體材料的技術(shù)突破，將會(huì)是今后的一個(gè)發(fā)展方向。此外，納米材料也可能會(huì)加入太陽能電池的應(yīng)用行列。納米材料是由超微粒組成的，這些微粒邊界區(qū)的體積大約是材料總休積的50%，因此利用納米材料組裝有機(jī)太陽能電池，其特殊結(jié)構(gòu)可能會(huì)使有機(jī)太陽能電池的研究產(chǎn)生較大進(jìn)展。

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