你了解有機太陽能電池嗎?

作者/張國楷，濟南市歷城第一中學(xué)

你了解有機太陽能電池嗎?

作者/張國楷，濟南市歷城第一中學(xué)

21世紀以來，全球性能源問題日漸突出，太陽能電池是解決該問題的最有希望的綠色技術(shù)。首先，本文闡述了無機太陽能電池的種類及其存在的問題。其次，本文闡述了有機太陽能電池的優(yōu)點和研究意義，并且從結(jié)構(gòu)、原理、材料三個方面對于當(dāng)前有機太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀進行概述。在此基礎(chǔ)上，探討了未來有機太陽能電池的發(fā)展前景與趨勢。

無機太陽能電池；有機太陽能電池；工作原理；結(jié)構(gòu)；有機材料

引言

進入21世紀以來，面對全世界的能源問題和環(huán)境問題，人們對于新能源的需求和重視更加強烈，迫切需要可再生的、環(huán)境友好的新能源作為化石燃料的替代品。相對于其它的新能源，太陽能具有其取之不盡用之不竭、安全無風(fēng)險、適用區(qū)域廣泛等諸多優(yōu)點。據(jù)統(tǒng)計，人類每年消耗的能量大概為1.11×1014kWh，而太陽每小時輻射到地球的能量約為1.78×1014kWh。如果能夠充分利用巨大的太陽輻射能，人類面臨的能源危機和環(huán)境污染問題將得到根本的解決。太陽能電池是一種將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能的有效途徑。按照材料種類，太陽能電池包括無機太陽能電池和有機太陽能電池兩大類。

1.無機太陽能電池

本世紀70年代中期開始了地面用太陽電池商品化以來，晶體硅就作為基本的電池材料占據(jù)著統(tǒng)治地位。以晶體硅材料制備的太陽能電池主要包括：單晶硅太陽電池，多晶硅太陽能電池，非晶硅太陽能電池和薄膜晶體硅電池。

（1）單晶硅太陽能電池是硅系列太陽能電池中，單晶硅大陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率是最高的，在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于受單晶硅材料價格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅成本價格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困難的。

（2）多晶硅薄膜電池由于所使用的硅遠較單晶硅少，又無效率衰退問題，并且有可能在廉價襯底材料上制備，其成本遠低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池，因此，多晶硅薄膜電池不久將會在太陽能電池市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。

（3）非晶硅薄膜太陽能電池。非晶硅薄膜太陽能電池能夠有效降低生產(chǎn)成本，便于大規(guī)模生產(chǎn)，普遍受到人們的重視并得到迅速發(fā)展。但是該電池的性能和穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實際應(yīng)用。

（4）多元化合物薄膜太陽能。為了尋找單晶硅電池的替代品人們不斷研制其它材料的太陽能電池，電池其中主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。上述電池雖然能夠取得較高的電池效率，但是電池中往往含有有毒元素而造成嚴重的環(huán)境污染環(huán)境。因此，這些多元化合物薄膜也不是無機太陽能電池最理想的替代材料。

從固體物理學(xué)上講，硅材料并不是最理想的光伏材料。這主要是因為硅是間接能帶半導(dǎo)體材料，其光吸收系數(shù)較低，所以其它光伏材料的研究成為一種新方向，也是獲得高性能太陽能電池的關(guān)鍵點和難點。

2.有機太陽能電池

一般對太陽能電池材料有如下一些要求：要充分利用太陽能輻射；有較高的光電轉(zhuǎn)換效率；材料本身對環(huán)境不造成污染；材料便于工業(yè)化生產(chǎn)且材料性能穩(wěn)定。還要從原料資源、生產(chǎn)工藝和性能穩(wěn)定性等方面綜合考慮。改善太陽能電池的性能，降低制造成本以及減少大規(guī)模生產(chǎn)對環(huán)境造成的影響是未來太陽能電池發(fā)展的主要方向。相對無極太陽能電池，有機太陽能電池具有材料種類多、質(zhì)量輕、制造成本低、柔性和可大面積成膜等諸多優(yōu)點。經(jīng)過二十年的快速發(fā)展，有機太陽能能電池的光伏性能已經(jīng)取得了很大進步，其能量轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)突破13%，在未來的商業(yè)化應(yīng)用中具有非常大潛力。

■2.1 有機太陽能電池結(jié)構(gòu)

有機太陽能電池具有“三明治”結(jié)構(gòu)（如圖1所示），由中間的吸收太陽光的活性層和兩側(cè)的透明導(dǎo)電陽極和金屬陰極組成。中間的活性層由兩種特定性質(zhì)的有機材料組成，起到吸收太陽光和生成自由移動電荷的作用。兩側(cè)電極進行電荷收集工作。在早期的研究中，活性層是兩種有機材料組成的雙層異質(zhì)結(jié)構(gòu)（如圖1a所示）。[1]這種結(jié)構(gòu)受到材料性質(zhì)的影響而限制了活性層厚度，無法有效利用太陽能光。在1995年，Yu 等人將給體材料受體材料共混作為活性層，形成了所謂的本體異質(zhì)結(jié)（BHJ）結(jié)構(gòu)（如圖1b所示），顯著提高了太陽能電池的性能。[2]這種本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)形成了活性層的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠有效的提高電荷分離和傳輸過程，是有機太陽電池領(lǐng)域的重大突破。

圖1 有機太陽能電池結(jié)構(gòu)

■2.2 工作原理和參數(shù)

有機太陽能電池的工作原理是光生伏特效應(yīng)，包括五個基本過程：（1）光吸收過程，生成激子；（2）激子擴散；（3）激子解離，生成自由電荷；（4）電荷傳輸；（5）電荷收集。這五個基本過程是有機太陽能電池的工作基礎(chǔ)，也是有機太陽能電池的主要研究內(nèi)容。同時，對于有機太陽能電池表征主要包含四個參數(shù)：短路電流（Jsc）、開路電壓（Voc）和填充因子（FF）和能量轉(zhuǎn)化效率（PCE）。能量轉(zhuǎn)化效率是衡量有機太陽能電池性能的標(biāo)準(zhǔn)，等于短路電流、開路電壓和填充因子（FF）三個參數(shù)之乘積。短路電流是電池上施加電壓為零時電池外回路上的電流。影響短路電流的主要因素是有機材料材料的吸光性和電池的制備工藝。開路電壓等于電池的外部電路斷路或者電流為零時，器件兩端施加電壓的大小，主要取決于有機材料的能級分布。填充因子定義為太陽能電池提供的最大功率與Voc·Jsc乘積的比值，說明了該電池能夠?qū)ν馓峁┳畲筝敵龉β实哪芰ΑＬ畛湟蜃釉酱螅馕吨柲茈姵氐碾娏麟妷禾匦愿咏懔髟吹男再|(zhì)以及得到更高輸出功率的能力。總體而言，有機材料的種類和純度、器件結(jié)構(gòu)及工藝水平都會不同程度影響有機太陽能電池的光伏性能。

■2.3 有機太陽能電池材料發(fā)展

活性層中有機材料的選擇不僅影響到光伏過程的前四個過程，而且直接決定了電池的短路電流、開路電壓和填充因子。因而，對于有機太陽能電池種有機材料的設(shè)計開發(fā)具有重要的作用和意義。下面簡單介紹一下活性層材料的發(fā)展過程。

在過去的二十年，有機太陽能電池的發(fā)展主要歸功于有機材料的廣泛研究，有機太陽能電池的性能從1%迅速提升到11%。在有機太陽能電池發(fā)展的最初階段，選擇的給體材料是醌式結(jié)構(gòu)窄帶隙聚合物。在醌式結(jié)構(gòu)中，交替的單鍵和雙鍵趨向于平均化，即單鍵和雙鍵區(qū)別弱化，體系中共軛電子的離域性增強。之后，人們又開發(fā)了 “D-A”型聚合物。“D-A”型聚合物是由給電子單元（D）進而缺電子單元（A）交替共聚形成。這種“D-A”型結(jié)構(gòu)形成的分子鏈內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT），可以有效地降低聚合物帶隙，并有利于吸收光譜發(fā)生紅移。該類材料中，2013年報道的聚合物PBDTEF-T是最經(jīng)典的給體材料，并被廣泛應(yīng)用于有機太陽能電池的研究。[4]優(yōu)異的電池性能來自于聚合物PBDT-EF-T非常寬的吸收光譜、合適的能級分布和活性層中很高的空穴遷移率。在大量給體材料設(shè)計合成的基礎(chǔ)上，對于給體材料化學(xué)結(jié)構(gòu)-材料性質(zhì)-器件性能的構(gòu)效關(guān)系認識不斷加深，已經(jīng)實現(xiàn)對材料性質(zhì)的有效調(diào)控和針對材料要求進行目的性篩選。

近兩年，非富勒烯有機太陽能電池成為新的研究熱點并受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。該類電池的主要特點是用有機材料代替富勒烯衍生物。富勒烯衍生物所具有的吸光性弱、能級難調(diào)控、價格昂貴和共混層中形貌穩(wěn)定差的缺點再次受到人們的關(guān)注。這些缺點極大地限制了有機太陽能電池的性能提升和未來商業(yè)化應(yīng)用。因而，非富勒烯受體材料的設(shè)計開發(fā)具有十分重要的科學(xué)價值和現(xiàn)實意義。非富勒烯受體材料不僅能夠很好的克服富勒烯衍生物的缺點，而且表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＤ壳埃畛晒Φ姆歉焕障┦荏w材料是基于茚并二噻吩并噻吩的ITIC分子。ITIC分子具有非常窄的帶隙和很低的能級分布，以及很高的電子遷移率。基于該分子作為受體材料的有機太陽能電池獲得了13.8%能量轉(zhuǎn)化效率[5]，極大地提升了有機太陽能電池性能，向著有機太陽能電池的商業(yè)化應(yīng)用邁進了一大步。

3.總結(jié)與展望

目前，基于非富勒烯受體材料的有機太陽能能電池已經(jīng)引起越來越多的關(guān)注和研究。理論化學(xué)家們也將目光投向了非富勒烯有機太陽能能電池這一領(lǐng)域，已經(jīng)開始對形貌進行動力學(xué)分析，而形貌優(yōu)化對提高太陽能電池的效率有顯著作用。但是，大多數(shù)科學(xué)工作者將工作重點放在發(fā)展新型電子給體材料和受體材料，僅僅將目標(biāo)放在實驗室條件下制備PCE較高的有機太陽能電池。對于有機太陽能電池在未來商業(yè)化過程中所遇到的問題受到的很少關(guān)注，并未取得突破性進展。因此，有機太陽能電池大面積器件和器件穩(wěn)定性的研究將逐漸成為該領(lǐng)域的新熱點，也是有機太陽能電池走向商業(yè)化的下一個關(guān)鍵點。

* [1]C. W. Tang, Two Layer Organic Photovoltaic Cells [J]. Appl.Phys. Lett., 1986, 48: 183-185.

* [2]G. Yu, J. Gao, J. C. Hummelen, et al. Polymer Photovoltaic Cells: Enhanced Efficiencies via a Network of Internal Donor-Acceptor Heterojunctions [J]. Science, 1995, 270: 1789-1791.

* [3]G. Li, V. Shrotruya, J. Huang, et al. High-efficiency Solution Processable Polymer Photovoltaic Cells by Self-organization of Polymer Blends [J]. Nat. Mater., 2005, 4: 864-868.

* [4]S.-H. Liao, H.-J. Jhuo, S.-A. Chen, Fullerene Derivative-Doped Zinc Oxide Nanofi lm as the Cathode of Inverted Polymer Solar Cells with Low-Bandgap Polymer (PTB7-Th) for High Performance [J]. Adv. Mater. 2013, 25: 4766-4771.

* [5]W. Zhao, S. Li, J. Hou, et al. Molecular Optimization Enabl es over 13% Efficiency in Organic Solar Cells [J]. J. Am. Chem.Soc. 2017, 139:7148-7151.