有机薄膜太阳能电池研究进展

Chemical Engineering & Equipment

化学工程与装备

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有机薄膜太阳能电池研究进展

沈健芬

（浙江台州学院医药化工学院，浙江 台州 317000）

摘 要：有机太阳能电池已越来越引起人们的重视。为了改善有机太阳能电池的性能，各种研究工作正在进行，这些研究主要是为了寻找新的材料，优化器件结构。本文对有机太阳能电池的发展以及未来的发展趋势作了简要描述。 关键词：能源；高分子材料；电池

1 研究背景

能源问题是21世纪人类社会可持续发展所面临的重大挑战之一。目前，全球总能耗的74%来自煤、石油、天然气等化石能源。据2004年发表的欧盟光伏研发路线图指出，2000年常规能源和核能在能源结构中的比例大约为80%，可再生能源的比例为20%。在可再生能源中主要是生物质能，太阳能微不足道。但是，2050年常规能源和核能的比例下降到47%，可再生能源上升到53%。在可再生能源中，太阳能占据首位，占总能源的29%，特别值得指出的是太阳能发电将占总能源的25%。到2100年，可再生能源例进一步扩大到86%，太阳能和太阳能发占总能源的67%和%。由此可见，本世纪内太阳能和太阳能发电在能源结构中的地位将发生巨大的变化。

我国近年来在可再生能源方面加大了投入，实施了多项促进光伏产业发展的计划，如2003年国家投入20亿元实施的西部光明工程。2005年通过了，《新能源法》，以法律的形式推动我国的新能源建设。

2 国内外研究现状及发展趋势

目前研究和应用最广泛的太阳电池主要是单晶硅、多晶硅和非晶硅系列电池，但由于其生产工艺复杂、成本高、难设计、不透明以及基本达到其转换效率极限等问题，使其大面积实用化受到很大的。要使太阳能发电得到大规模推广，就必须降低太阳能电池材料的成本，或找到更廉价的太阳能电池材料。而有机聚合物太阳能电池以其低成本、轻重量、分子上的可设计性、生产工艺简单、可实现大面积柔性太阳能电池等优点，日益被人们所重视。尽管目前有机聚合物太阳能电池光电转换效率低，大约为1%～5%，还不能与无机半导体太阳能电池相抗衡，但它可作为用于高日照、尚不具备开发价值地区(如沙漠)等的低值光电转换设备而投入实际应用。

为此，各国研究人员都在不断进行有机聚合物太阳能电池的研究，期望能得到新的多功能和高效率的太阳能电池。无论从材料角度还是器件角度讲，化学家、物理学家和材料学家都对有机聚合物太阳能电池进行了较深入的研究，在获得大量可喜成果的同时，也面临着新的挑战，如提高有机聚合物太阳能电池的光电转换效率等。根据Goetzberger等推测，有机聚合物太阳能电池的光电转换效率在未来十几年中有望突破10%，如能达到这一转换效率，用有机聚合物材料制作的太阳能电池将具有巨大的市场。

与无机硅太阳能电池相比，在转换效率、光谱响应范围、电池的稳定性方面，有机太阳能电池还有待提高。各种研究表明，决定光电效率基本损失机制的主要有：

（1）半导体表面和前电极的光反射； （2）禁带越宽，没有吸收的光传播越大； （3）由高能光子在导带和价带中产生的电子和空穴的能量驱散；

（4）光电子和光空穴在光电池光照面和体内的复合；

（5）有机染料的高电阻和低的载流子迁移率。 分析原因，主要是由于：

130沈健芬：有机薄膜太阳能电池研究进展

（1）高分子材料大都为无定型，即使有结晶

度，也是无定型与结晶形态的混合，分子链间作用力较弱。光照射后生成的光生载流子主要在分子内的共轭价键上运动，而在分子链间的迁移比较困难，使得高分子材料载流子的迁移率一般都很低。

子就向受主传输从而发生电荷分离。

（3）混合异质结结构，单纯的异质结结构由于接触面积有限，使得产生的光生载流子有限。为了获得更多的光生载流子必须扩大异质结构的接触面积，于是人们构造了混合的异质结结构（bulk （2）高分子材料的禁带宽度Eg，通常键分子链的Eg范围是7.6～9eV，共轭分子Eg范围是1.4～4.2eV。掺杂后导电高分子的Eg虽然会下降，但与无机半导体Si、Ge等相比Eg依然很高，因此有机太阳电池与无机太阳电池载流子的产生过程有很大的不同。有机高分子的光生载流子不是直接通过吸收光子产生，而是先产生激子，然后再通过激子的离解产生自由载流子，这样形成的载流子容易成对复合，最后使光电流降低。

（3）共轭聚合物掺杂均为高浓度掺杂，这样虽能保证材料具有较高的电导率，但载流子的寿命与掺杂浓度成反比，随着掺杂浓度的提高，光生载流子的增大，电池的光电转换效率η很小[1]。

目前，在各种报道中，有机太阳能电池主要有四种典型器件结构。

（1）单质结结构，最简单的结构就是两个电极之间夹着一层有机材料的单质结器件。电极一般都是ITO和低功函数金属Al、Ca、Mg。对于单层结构电池来说，其内建电场起源于两个电极的功函数差异或者金属-有机染料接触而形成的Schottky-barrier。该电场使得材料吸收光子产生的激子分离，从而产生了正负电子。只有当激子扩散到电极和材料接触处才可能分离，一般激子的扩散长度只有1～10nm，这就了这种器件的光电特性。目前发现对有机材料进行I2等掺杂可提高有机材料的电导率[2]；通过表面离子极化(Surface Plasmon Polaritons)激发技术提高光吸收量可以提高电池的光电转换效率[3]。

（2）双层异质结结构，对于单层器件，激子的扩散长度很短使得产生的激子容易复合。使用给体-受体双层异质结（bi-layer heterojunction）结构可以提高激子的分离几率，而且也增宽了器件吸收太阳光谱的带宽。由施主和受主对材料组成的高聚物体系在本质上可以获得像半导体一样的P-N结。当光与施主分子相互作用时，电子就能够从低的分子轨道提升到高的分子轨道从而产生激子。在没有外界的影响下，驰豫过程随后产生；在此期间电子和空穴复合导致能量发射(通常是以比产生原跃迁波长更长的光的形式发射)，但是如果受体存在，电heterojunction）。1997年Gao等报道了由给体(MEH-PPV)和受体(C60)混合成膜而造成的器件[4]。Mer等研究了不同侧基的聚噻吩P3HT、P3OT、P3DDT作为电子给体材料的太阳能电池效率。由于侧基的增长，“头尾”连接的立构规整性受到影响，电子和空穴的迁移率降低，所以η随侧链增长从1.54%降到0.59%。Schilinsky等研究了不同分子量的P3HT对电池性能的影响，当分子增大时P3HT/PCBM(1:1,wt)膜的吸收波长红移，载流子的迁移率增大，而只有当分子量大于104时，光电转化效率才能超过2.5%[5]。此外，P3HT/PCBM共混物的溶剂和对膜的热处理也会影响电池性能[6]。

（4）染料敏化太阳能电池，宽带隙半导体(如TiO2、

SnO2)的禁带宽度相当于紫外区的能量，因而捕获太阳光的能力非常差，无法直接用于太阳能的转换。研究发现，将这些与宽带隙半导体的导带和价带能量匹配的一些有机染料吸附到半导体表面上，利用有机染料对可见光的强吸收从而将体系的光谱响应延伸到可见区，从而提高电池的转换效率。

3 前景与展望

目前，成本问题是制约太阳能电池大规模应用的瓶颈。要真正使太阳能成为替代能源，太阳能电池的发电成本必须接近或低于常规发电方式的成本。目前，国际市场光伏组件的成本约2.5美元/瓦，国内光伏组件成本要高于国外，约40元人民币/瓦，必须降至1美元每瓦以下才能实现大规模应用，中间还有很大的差距。因此，在技术上实现创新和突破，发展廉价、高效的新一代太阳电池，是摆在我们面前的迫切任务。

参考文献

[1] 任斌，赖树明，陈卫，等．有机太阳能电池研

究进展[J]．材料导报，2006；20(9)：124-127 [2] Goldsmity G J, Inigo A R, Xavier F P. Copper

phthalocyanine as an efficient dopant in development of solar cells[J]. Material Research

Bulletin, 1997, 32(5)：539-546 （下转第160页）

160吴晓航：浅析城市道路建设对生态环境的影响及保护对策

施工扬尘对农田的污染。 严禁任何人破坏植被，采取植被自然修复。

（3）道路竣工后，要及时撤出所有施工设施4 结论 和剩余建筑材料，平整施工临时占用场地，清理废综上所述，只要将公路建设与生态环境建设结弃物，恢复使用前的土地状况。 合起来，重视保护生态环境，在建设期尽量减少对3.4 水土流失防治措施 生态环境破坏，在营运期防止偶然事件发生，该公3.4.1 主体工程防治区 路的建设和营运对生态环境的不利影响将是很小

主体工程路基修筑必须注意施工过程中开挖的，由于公路建设本身的需要所采取的防沙固沙、的沿线耕地、果园的表层耕作土必须收集、存放，边坡防护、路旁设置绿化带等措施，可使公路营运存放地点为临时施工场地内，不能利用的弃土应一两年后的公路附近的植被覆盖面积增加，地表物由福州市渣土管理部门及时就近运往指定的弃渣质结构比建设前稳定，使生态环境变得比建设前更场。路基的土质边坡，在工程结束后处于裸露状好，而且随着营运时间加长，生态环境会向更好的态，容易产生水土流失，可铺植马尼拉草皮快速方面转化。 覆盖。

参考文献 3.4.2 施工场地防治区

临时施工场地可利用沿线征用的潘墩停车

[1] 中华人民共和国交通部发布．中华人民共和国厂。本区水土流失主要发生在建筑沙石等材料和

行业标准JTJ005-96公路建设项目环境影响评临时渣土的堆放过程。施工单位应作好施工场地

价规范（试行）．1997； 内排水工作，防止径流冲刷；施工场地使用完毕，

[2] 中华人民共和国交通部发布．中华人民共和国施工单位须将地表建筑物及硬化地面全部拆除，

行业标准JTJ006-98公路环境保护设计规耕作土及时回填或改良其他农地，废弃物及时运

范．1998； 至集中堆放地点。为使施工期间的降雨不会对开

[3] 环境影响评价工程师职业资格等级培训系列教挖的裸露地表造成冲刷，在施工场地周边设置临

材（交通运输）．2006；（8）： 时排水沟，排水沟未端设二级沉沙池，以汇集施

[4] 史宝忠．建设项目环境影响评价(修订版)．北京：工区的汇水，临时排水沟就近接入道路排水系统，

中国环境科学出版社，1999： 待工程结束后将排水沟填平夯实。

[5] 陈仁道．关于城市交通环境影响因素的几点看3.4.3 影响区防治区

法．交通科技，2002；（5）：77-78 影响区防治区包括主体工程影响区和临时施

[6] 赵春．公路建设对生态环境的影响及防治对工场地影响区。主体工程影响区为道路红线两侧

策．北方环境，2005；28（2）：36-38， 20m，施工场地影响区为场地周边20m范围耕地、

[7] 包健．公路建设的生态环境影响评价．江苏环果园或荒地。由于影响区不在本项目征、借地范围

境科技，2008；18（1）：47-49内，且植被较好，为保护项目建设区周边生态环境，

（上接第130页）

Influence of the Molecular Weight of [3] Sean E S, Christoph J B, Sariciftci N S, et.al. 2.5%

Poly(3-hexylthiophene) on the Performance of efficient organic plastic solar cells[J]. Applied

Bulk Heterojunction Solar Cells[J]. Chem Mater, Physics Letters, 2001, 78: 841-843

2005, 17: 2175-2180 [4] Gao J, Hide F, Wang H. Efficient photodetectors

and photovoltaic cells from composites of [6] Maher A I, Oliver A, Steffi S, et al. Effects of

solvent and annealing on the improved fullerenes and conjugated polymers:

performance of solar cells based on Photoinduced electron transfer[J]. Synthetic

poly(3-hexylthiophene): Fullerene[J]. Applied metals, 1997, 84: 979-980

Physics Letters, 2005, 86(20): 1120-1126 [5] Schilinsky P, Asawapirom U, Scherf U, et al.