基于光學(xué)工程實(shí)現(xiàn)高效聚合物太陽(yáng)電池

戴君潔

摘 要可再生能源可以說(shuō)取之不盡用之不竭的。現(xiàn)階段的技術(shù)手段達(dá)不到真正節(jié)能的目的。在我國(guó)，豐富的太陽(yáng)能資源為我國(guó)發(fā)展太陽(yáng)能利用相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供了先天優(yōu)勢(shì)。 但是傳統(tǒng)的單晶硅太陽(yáng)能無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模民用商業(yè)化。 在這一背景之下， 聚合物太陽(yáng)能電池技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。聚合物太陽(yáng)能電池成為目前太陽(yáng)能利用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本文說(shuō)明了聚合物太陽(yáng)電池機(jī)理，闡述了基于光學(xué)工程下實(shí)現(xiàn)高效聚合物太陽(yáng)電池性能的有效措施。

【關(guān)鍵詞】光學(xué)工程 高效聚合物 太陽(yáng)電池

隨著光學(xué)工程的不斷發(fā)展，聚合物太陽(yáng)能電池大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用也指日可待?？梢?jiàn)，聚合物太陽(yáng)能電池的發(fā)展是能源利用領(lǐng)域的又一次偉大的革命。太陽(yáng)能作為一種新型的清潔能源成為全世界科學(xué)家的研究的焦點(diǎn)。聚合物太陽(yáng)能電池是在兩個(gè)具有不同功函數(shù)的電極之間添加具有光敏性質(zhì)的聚合物半導(dǎo)體材料，利用光伏效應(yīng)彌補(bǔ)了部分無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池的不足，因此使得其在柔性太陽(yáng)能電池領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。聚合物太陽(yáng)能電池具有低成本、柔性、輕薄等特點(diǎn)，因目前聚合物太陽(yáng)能電池面臨著能量轉(zhuǎn)化效率低、壽命短等難題，需要我們探究基于光學(xué)工程下聚合物太陽(yáng)能電池的性能的傳輸過(guò)程以及自由載流子的收集過(guò)程。

1 聚合物太陽(yáng)電池機(jī)理

聚合物太陽(yáng)電池能夠直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。由于它們大采用溶液加工技術(shù)的獨(dú)特制造優(yōu)點(diǎn)，兼容質(zhì)量輕，柔性襯底和卷對(duì)卷生產(chǎn)工藝而備受關(guān)注。通過(guò)構(gòu)建光學(xué)諧振腔，實(shí)現(xiàn)了光線的多次反射，這樣不但可以提高量子效率，而且也大幅度優(yōu)化電池性能。使用具有較低能帶結(jié)構(gòu)和寬吸收光譜的新型聚合物有利于優(yōu)化膜層厚度，促使量子效率的提高。目前，結(jié)合體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，形成了現(xiàn)在聚合物太陽(yáng)能電池中最常用的共軛聚合物和富勒烯衍生物混合體系的體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。

當(dāng)半導(dǎo)體光子的能量大于或等于半導(dǎo)體的禁帶寬度，就能在半導(dǎo)體中產(chǎn)生大量的電子/空穴對(duì)，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。電子從低功函數(shù)的金屬電極穿過(guò)有機(jī)層到達(dá)高功函數(shù)電極，從而產(chǎn)生光電壓形成光電流。體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)具有巨大的開(kāi)發(fā)潛力。在此結(jié)構(gòu)中受體分子緊密接觸增加了D/A 接觸面積，從而促進(jìn)了電荷的分離和傳輸。如果能有效減少這些 “孤島”尺寸，就會(huì)提高電池的光電轉(zhuǎn)化效率。 多層體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池增加了活性層對(duì)光的吸收能力，進(jìn)而產(chǎn)生光伏效應(yīng)。

2 提高聚合物太陽(yáng)能電池性能

近來(lái)，無(wú)機(jī)半導(dǎo)體特性或金屬導(dǎo)電性的雙重特性為聚合物太陽(yáng)能電池降低成本提供了極其有利的條件。目前很多物理學(xué)、材料學(xué)的相關(guān)專家將研究成果廣泛應(yīng)用于聚合物太陽(yáng)能電池領(lǐng)域。通過(guò)構(gòu)建光學(xué)諧振腔，實(shí)現(xiàn)了光線的多次反射，這樣不但可以提高量子效率，而且也大幅度優(yōu)化電池性能。使用具有較低能帶結(jié)構(gòu)和寬吸收光譜的新型聚合物有利于優(yōu)化膜層厚度，促使量子效率的提高。

2.1 提高空穴的收集和輸運(yùn)能力

由于對(duì)光伏器件的光透過(guò)率影響較小，可以在ITO與PEDOT：PSS之間構(gòu)建一個(gè)中問(wèn)能級(jí)，以便增加陽(yáng)極處的空穴收集。此外，采用緩沖層修飾的器件在退火后獲得了較高的填充因子，其中，采用復(fù)合緩沖層修飾的器件光電轉(zhuǎn)換效率比傳統(tǒng)器件有了較大提高，同時(shí)也有效減少了因雜質(zhì)擴(kuò)散而造成的缺陷復(fù)合中心，進(jìn)而提高了聚合物太 陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性。如：疊層太陽(yáng)能電池，無(wú)論是哪一種太陽(yáng)能電池材料，使得材料都不可能在很寬的光譜范圍內(nèi)有良好的光譜響應(yīng)，因而將太陽(yáng)能光譜的各個(gè)波段更有效地利用，就是疊層太陽(yáng)能電池。疊層太陽(yáng)能電池可以在不同的傳輸層進(jìn)行轉(zhuǎn)移，通過(guò)制備給體材料層和受體材料層，形成排布規(guī)則有序且與電極接觸良好的活性材料層，然后不斷激子解離的相分離界面，最后形成獨(dú)立載流子傳輸通道。

2.2 利用紫外臭氧處理可以獲得更高的效率

聚合物太陽(yáng)能電池通過(guò)控制活性層薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程有助于大幅度提升電池的開(kāi)路電壓，典型的低帶隙聚合材料作為光學(xué)間隔層插入到活性層和內(nèi)部光線的傳播， 使得活性層得到最大的量子效率。同時(shí)我們還要尋找一種新的、更簡(jiǎn)單、更實(shí)際的提高短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率的方法。聚合物太陽(yáng)電池器件要兼顧光學(xué)層面比較厚和電學(xué)層面比較薄的器件設(shè)計(jì)。采用PFN界面層可以和光活性層形成歐姆接觸保證電極傳輸和收集。隨著聚合物太陽(yáng)電池活性層厚度的增加，一些特定的厚度主要是用來(lái)接收比較低的光吸收效率。當(dāng)活性層的厚度達(dá)到200nm以上時(shí)就形成了空間載流子限制光電流，從而不斷提高厚膜太陽(yáng)電池的器件性能。

同時(shí)通過(guò)一種P型金屬氧化物（氧化銀）薄膜與常用的陽(yáng)極緩沖材料PEDOT：PSS組成的復(fù)合，使電池獲得更好的穩(wěn)定性。聚合物太陽(yáng)能電池隨著光學(xué)的發(fā)展器件效率穩(wěn)步提高。采用本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的聚合物太陽(yáng)能電池，可以保證激子通過(guò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)到具有互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的給受體界面處，在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下形成通道傳輸，從而得到更加平衡的載流子輸運(yùn)過(guò)程。

2.3 提高光吸收和轉(zhuǎn)化效率

基于半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)構(gòu)或金屬半導(dǎo)體界面附近的光生伏特效應(yīng)，促使太陽(yáng)能電池的電子在受電子材料中進(jìn)行傳輸。在測(cè)試太陽(yáng)電池的功率時(shí)，必須規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件，并聯(lián)結(jié)構(gòu)的本體異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免了常規(guī)疊層電池需要精心設(shè)計(jì)和嚴(yán)格控制中間連接層的需求，從而明顯降低了器件制備的復(fù)雜性。更加重要的是，本方法可以更大幅度提高光吸收和轉(zhuǎn)化效率。因此，類似并聯(lián)結(jié)構(gòu)的體系可以改變給體之間的混合比例而調(diào)節(jié)。與單結(jié)的二元本體異質(zhì)結(jié)器件作為一種進(jìn)一步提高聚合物太陽(yáng)電池的效率的新途徑，值得大家的深入研究。

2.4 構(gòu)建光學(xué)諧振腔，有效增加反射光強(qiáng)

電池性能的改善不是由于電池內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移速率提高而造成的，在電池內(nèi)部插入 Ag 薄層，會(huì)增加活性層對(duì)于入射光的吸收，隨著 Ag薄層的厚度增加， 透射率沒(méi)有受到太大的影響，但是插入Ag 層后，電池的外量子效率逐漸提高了。光生載流子的數(shù)目大幅度增多，相對(duì)于沒(méi)有插入 Ag 層的標(biāo)準(zhǔn)電池短路電流提高了 30%，使得活性層對(duì)光的吸收達(dá)到最大。隨著 Ag 層厚度的進(jìn)一步增加，短路電流密度和轉(zhuǎn)化效率均低于沒(méi)有插入 Ag 薄層的標(biāo)準(zhǔn)電池，可見(jiàn)，當(dāng)活性層薄膜采用境靜置生長(zhǎng)10min 和膜厚控制在80nm左右時(shí)，電池得到最佳轉(zhuǎn)換效率。

參考文獻(xiàn)

[1]羅國(guó)平.基于光學(xué)工程實(shí)現(xiàn)高效聚合物太陽(yáng)電池[D].華南理工大學(xué)，2016.

[2]楊成東.有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管新型聚合物半導(dǎo)體材料的合成及性能研究[D].杭州師范大學(xué)，2016.

作者單位

重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院 重慶市 401120