有機聚合物太陽能電池

胡萬明

最輕便清潔的能源轉換新技術

經濟發展建立在消耗資源的基礎上，社會持續發展帶來能源開采和利用，造成現在面臨的能源短缺問題。根據世界能源機構2012年的分析數據顯示，世界石油、天然氣、煤、鈾的剩余開采年限僅為45年、60年、230年和70年，化石能源日益枯竭。同時，傳統化石燃料的使用產生大量溫室氣體，從而引發溫室效應、全球變暖現象，以及霧霾災害天氣的頻頻發生；化石燃料中的雜質燃燒后向大氣中釋放氮、硫等物質，影響環境健康，打破生態平衡。能源問題已經成為世界各國急需解決的熱點問題之一，開發和利用新型、綠色、可再生、清潔能源是解決當前能源危機問題的最有效途徑。太陽能是一種取之不盡、用之不竭的無污染潔凈能源，是未來最具開發潛力的新能源之一。將太陽能直接轉換為電能和熱能造福于人類一直是科學家的追求目標。因而自從1954年第一塊單晶硅太陽能電池問世以來，人們對利用半導體太陽能電池解決將來由于礦物燃料枯竭而引起的能源危機寄于很大希望。中國對太陽能電池的研究起步于1958年，20世紀80年代末期，國內先后引進了多條太陽能電池生產線，使中國太陽能電池生產能力由原來的3個小廠的幾百KW一下子提升到4個廠的4.5MW。2002年后，歐洲市場特別是德國市場的急劇放大和無錫尚德太陽能電力有限公司的橫空出世及超常規發展給中國光伏產業帶來了前所未有的發展機遇和示范效應。2008年以后，全國太陽能電池的產量為200萬KW，中國已經成為超越歐洲、日本的世界太陽能電池生產第一大國，光伏電池產量占全球產量的比例從2002年1.07%增長到2008年的近15%，商業化晶體硅太陽能電池的效率從13%-14%提高到16%-17%，形成以長三角、環渤海、珠三角、中西部地區各具特色的太陽能產業集群帶。

雖然太陽能產業在可再生能源中占有很大的份額，受到了很多社會關注和資本投資，但是該產業依舊面臨幾個重要的問題：一是轉化效率有待提高，現今普遍使用且能量轉換效率已經很高的硅太陽能電池轉化效率僅為17%-22%；二是光伏器件的制造和安裝成本仍需進一步降低，才能實現真正的全面推廣和應用；三是光伏器件如太陽能硅板的生產制造過程能耗高、且易產生污染。目前研究和應用最廣泛的太陽能電池主要是單晶硅、多晶硅和非晶硅系列無機硅材料太陽能電池，其中無機硅材料太陽能電池由于原料成本高、生產工藝復雜、且材料本身不利于降低成本等因素限制了它的民用化。因此，開發低成本太陽能電池的有效途徑之一就是尋找廉價、清潔環保、穩定性好、易大面積制造，具有良好光伏效應的新型太陽能電池材料。有機聚合物太陽能電池具有清潔環保、成本低、制作工藝簡單、重量輕、可制備成柔性器件，以及共軛聚合物材料原料種類繁多、可設計性強，且通過材料的改性可以有效地提高太陽能電池的性能等突出優點，是未來極具潛力的性價比高的能源轉換新技術。

由中國科學院院士李永舫領導的中科院化學研究所有機固體院重點實驗室課題組，一直以來致力于共軛高分子和有機聚合物太陽能電池研究的最前沿，主要從事聚合物太陽能電池光伏材料和器件、導電聚合物電化學和半導體納米晶體材料等方面的研究。為了提高有機聚合物太陽能電池的光電轉換效率，從2000年開始，李永舫院士及其科學家團隊從聚合物太陽能光伏材料的分子設計入手，解決各個科研瓶頸難題逐步提高聚合物太陽能電池的光電轉換效率，并于2016年3月在全聚合物太陽能電池的研究方面取得突破進展。他們使用基于噻吩取代苯并二噻吩和氟取代苯并三氮唑的中間帶隙二維共軛D-A共聚物J51為給體、n-型窄帶隙聚合物N2200為受體制備了全聚合物太陽能電池，通過器件優化實現了8.27%的能量轉換效率，為當年文獻報道的全聚合物太陽能電池最高值。這一高的能量轉換效率得益于聚合物給體與受體吸收光譜互補、氟取代二維共軛聚合物J51給體較低的HOMO能級和較高的空穴遷移率，以及使用了他們開發的苝酰亞胺類PDINO陰極界面修飾層材料（Energy EnvironSci.2014，7，1966-1973）。隨后在2016年12月，李永舫院士帶領研究團隊又發展了一系列基于噻吩取代苯并二噻吩（BDTT）與苯并三氮唑（BTA）單元的中間帶隙二維共軛聚合物給體材料，通過側鏈工程降低了HOMO能級，增強了鏈間相互作用，提高了空穴遷移率，使基于這類聚合物為給體、ITIC為受體的非富勒烯聚合物太陽能電池的能量轉換效率達到11.4%。目前，實驗室小面積器件能量轉換效率已突破12%，可以向應用階段發展。該項研究所取得的全新進展和突破，對于重新認識有機聚合物太陽能電池中的激子電荷分離的驅動力具有重要意義，也為將來的高效共軛聚合物給體光伏材料的分子設計提供了一種新思路和新途徑，將對有機光伏領域的發展起到促進作用。

有機聚合物太陽能電池（Polymer Solar Cell，PSC）是一般由共軛聚合物給體（如聚3-己基噻吩（P3HT）}和富勒烯（PCBM）衍生物（或非富勒烯聚合物）受體的共混膜（作為光敏活性層）夾在ITO（氧化銦錫）透光電極（正極）和金屬負極之間所組成的太陽能電池。有機聚合物太陽能電池的工作原理是利用有機化合物從陽光產生電能：當光透過ITO電極照射到活性層上時，活性層中的共軛聚合物給體吸收光子產生激子（電子-空穴對），激子遷移到聚合物給體/受體界面處，在那里激子中的電子轉移給電子受體PCBM的最低未占有分子軌道（LUMO）能級，空穴則保留在聚合物給體最高占有分子軌道（HOMO）能級上，從而實現光生電荷分離，然后在電池內部勢場（其大小正比于正負電極的功函數之差、反比于器件活性層的厚度）的作用下，被分離的空穴沿著共軛聚合物給體形成的通道傳輸到正極，而電子則沿著受體形成的通道傳輸到負極?？昭ê碗娮臃謩e被相應的正極和負極收集以后形成光電流和光電壓，即產生光伏效應。

PSC具有清潔環保、原料廣、可大面積制造、成本低、光伏材料可自行設計合成以及可制備成柔性器件等諸多優點，尤其是薄、輕、柔是無機半導體太陽電池不可替代的優點，成為近年來國際上前沿科學的研究熱點之一。有機聚合物材料種類繁多，可設計性強，有希望通過結構和材料的改性來提高太陽能電池的性能；而聚合物半導體材料可以溶解在有機溶劑中形成“電子墨水”，之后通過絲網印刷、噴墨打印、卷對卷等溶液加工法制成薄膜光電器件；溶液法加工工藝可以實現聚合物太陽能電池低成本、高通量的制備，同時提供傳統無機太陽能電池所不具備的柔性、輕便等優點和特性，使聚合物太陽能電池作為清潔可再生能源具有重要的商業應用價值。

被《科普中國-科技名家風采錄》描述為“光能轉化探索者”的李永舫院士表示：“最大的愿望就是實現有機聚合物太陽能電池的應用，那么我這一輩子的工作，就沒有白做”。他下一步的研究目標是解決有機聚合物太陽能電池穩定性和大面積制備的技術難題，達到大規模產業化應用，讓人們使用更輕便清潔的有機太陽能電池。