有机太阳能电池简介及产业化前景

Advanced Materials Industry 42 透 视 INSIGHT 有机太阳能电池简介及 产业化前景 一、有机太阳能电池简介 随着人类使用的主要能源—— 化石燃料（包括煤、石油、天然气等）的 不断耗尽及环境污染的日趋严重，研 究者的目光开始转向清洁的可再生能 源。太阳能取之不尽、用之不竭，是一 种真正意义上的“绿色”能源，充分开 发利用太阳能是世界各国政府可持续 发展的能源战略。目前使用的太阳能 电池，主要依靠硅或稀有金属合金等 无机材料制成的器件实现光电转换。 其中，有机太阳能电池是20世纪90年 代发展起来的新型太阳能电池，它是 以有机半导体作为实现光电转换的活 性材料。与无机太阳能电池相比，它具 有成本低、厚度薄、质量轻、制造工艺 简单、可做成大面积柔性器件等优点， ■ 文/徐新军 李立东 北京科技大学材料科学与工程学院 具有广阔的发展和应用前景，已成为 当今新材料和新能源领域最富活力和 生机的研究前沿之一[1]。 1.有机太阳能电池的工作原理 如图1所示，典型的有机太阳能 电池原型器件的结构是由透明阳极 层、金属阴极层及所夹的有机半导体 层所组成。所用的基底材料通常为玻 璃或聚对苯二甲酸类塑料（如PET）； 作为透明阳极层的材料可以是铟锡 图1 典型的有机太阳能电池原型器件的结构示意图 zhouxiang 高亮 新材料产业 NO.11 2011 43 透 视INSIGHT 氧化物（ITO）、导电聚合物（如导电聚 苯胺、导电聚乙撑二氧噻吩）、碳纳米 管膜、石墨烯等，其厚度通常为几十纳 米；作为金属阴极层的材料通常为具 有较低功 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 的金属（如钙、铝、银）； 作为活性层的有机半导体材料一般包 括电子给体材料和电子受体材料，其 在可见光区具有强的吸收，厚度通常 为100 ～200nm。 在太阳光照条件下，有机半导体吸 收具有一定能量的光子后就会激发一 个电子从最高占据分子轨道（HOMO） 跃迁到最低未占分子轨道（LUMO），而 在HOMO处留出空位，这一空位被称 为空穴，空穴带有正电荷。受入射光子 激发而形成的电子和空穴会以具有较 强束缚能的电子-空穴对（即激子）的 形式存在，激子通过扩散到达电子给 体/受体界面，在那里将电子转移到受 体的LUMO能级上，空穴则留在电子 给体的HOMO能级上，从而实现光生 电荷分离。在电池内建电势的作用下， 被解离的空穴沿着电子给体形成的通 道传输到阳极，而电子则沿着电子受体 形成的通道传输到阴极，电子和空穴在 被相应的电极收集以后产生电能[2]。图 2给出了有机太阳能电池进行光电转 换的基本过程。 2.有机太阳能电池的制备工艺 有机太阳能电池中通常所用的铟 锡氧化物（ITO）阳极是通过溅射的方 法制备的，但由于地球上的铟储量相对 较少，不利于日后有机太阳能电池的大 规模使用，研究者希望使用别的替代物 来充当阳极材料。导电聚合物是作为 阳极材料的一种选择，其优点是成膜 方便，可通过旋涂、印刷、喷涂等 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 成 膜，缺点是其导电率一般较低。相比而 言，碳纳米管和石墨烯则具有很好的导 电性，而且其在可见光区和红外光区的 透过率均很高，是制作有机太阳能电池 阳极层的理想材料，但缺点是实现其大 面积成膜的难度较大。可喜的是，最近 已有文献报道可实现石墨烯薄膜的大 面积辊对辊式（roll-to-roll）制备[3]，这 为以后有机太阳能电池的大规模应用 打下了基础。 有机太阳能电池中的活性材料包 括有机小分子和聚合物这2种材料。 聚合物材料因其成膜工艺简便，因而 更受研究者的青睐。一般实验室里是 图2 有机太阳能电池的光电转换过程 zhouxiang 高亮 zhouxiang 高亮 zhouxiang 高亮 zhouxiang 高亮 Advanced Materials Industry 44 透 视 INSIGHT 通过旋涂或喷墨打印的方法制备聚合 物半导体薄膜，从而形成聚合物太阳 能电池器件，但是如果应用于大规模 生产的话，这2种方法就不太适合了。 因为旋涂的方法不适合制备大面积的 器件，而喷墨打印的方法则生产速率 较低。聚合物薄膜的roll-to-roll制备 为聚合物薄膜电池的大批量快速制备 提供了一条有效途径[4-5]，采用该方法 在柔性基底上制备出的聚合物半导体 薄膜如图3所示。 有机聚合物的金属阴极层在实验 室中通常是通过真空热蒸镀的方法制 备的，但这种方法同样不适合于有机 太阳能电池的大规模快速生产要求。 为此，研究者把丝网印刷技术引入到 有机太阳能电池阴极的制备中以解决 此问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。通常，阴极材料采用可印刷的 阴极浆料，如导电银胶，丝网则由精细 编织的多孔织物或在金属板架上伸展 的金属网孔构成，丝网顶端有一块模 板封住了阴极浆料不应穿过的网孔区 域。丝网被放置在基板顶端，精确对位 后固定，然后采用一块橡皮刀片在丝 网的网孔通透区域刮阴极浆料，然后 吊离丝网，形成条状阴极，从而得到有 机太阳能电池的阴极。 3.有机太阳能电池性能的评价指标 表征有机太阳能电池性能的参数 主要有以下5个： （1） 开路电压（Voc）：在光照条件 下，太阳能电池正负极断路时的电压， 即太阳能电池的最大输出电压，单位V。 （2） 短路电流密度（Jsc）：在光照 条件下，太阳能电池正负极短路时的 电流密度，即太阳能电池的最大输出 电流密度，单位mA/cm2。 （3） 填充因子（FF）：定义为FF = 式中，Pmax为电池单位面积上 的最大输出功率（单位W/cm2），Jsc和 Voc分别为短路电流密度和开路电压。 （4） 能量转化效率（PCE）：表明 入射光的能量有多少转化为有效地电 能，它的定义为电池的最大输出功率 与入射光强度之比。 （5）外量子效率（EQE）：又称为 载流子收集效率或入射光子-电子转 化效率（IPCE），它是指在某一单色波 长下入射光子所产生的能够发送到外 电路的电子的比例，定义为 EQE = ，式中P light为入 射光的波长，Plight为单位面积上入射 单色光的功率，Jsc为短路电流密度。 二、提高有机太阳能电池性能 的途径 有机太阳能电池性能的提高，一 方面可以通过 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 合成具有合适的能 级结构、窄的能隙、良好的载流子迁移 率的有机半导体材料来实现；另一方 面还可通过合理设计太阳能电池的器 件结构来实现，本文将着重介绍后者。 1.利用纳米线阵列结构改善电荷 分离与传输 由于在有机半导体材料中经光激 发产生的激子的寿命通常很短，其扩 散长度一般为10~20nm，所以在有机 太阳能电池中有许多激子往往未扩散 到给受体界面处就已经淬灭了。另外， 有机太阳能电池经常采用的本体异质 结结构会在活性层的局部区域无法形 成连通网络，将严重阻碍载流子的传 输。为了改善这些情况，研究者希望在 有机半导体活性层中构建出一些纳米 结构，一方面使电子给体和受体有充 分的接触界面，尽量避免激子的过早 淬灭；另一方面可以使激子电荷分离 产生的载流子能够沿各自的通道顺利 到达相应的电极。图4为所设想的在 有机半导体活性层中形成纳米结构的 太阳能电池器件示意图，利用这种结 图片来源 ：Konarka公司 图3 采用 roll-to-roll工艺 在柔性基底上制备出的聚合物半导体薄膜 注 ：深灰色代表电子给体材料的纳米线阵列，灰色代表电子受体材料的纳米 线阵列，纳米线的直径为10 ～20nm 图4 具有纳米线阵列结构的有机太阳能电池 zhouxiang 高亮 新材料产业 NO.11 2011 45 透 视INSIGHT 构可以有效实现激子的电荷分离及载 流子的良好传输，有望制备出高效的 有机太阳能电池器件[1-2]。 2.使用堆叠结构改善有机太阳能 电池的光电转换效率 现有的制备有机太阳能电池的 有机半导体材料都不能对太阳光谱的 整个谱带全部产生响应，只能吸收太 阳光谱某一波长范围内的光，这就降 低了太阳光的利用率，导致光电转换 效率较低。为了改善这一情况，有研究 者设计出了堆叠结构器件，这种器件 是把能响应不同太阳光谱带的2个太 阳能电池单元通过一个连接层联系起 来，从而使整合后的电池器件能对太 阳光谱有更广范围的响应，提高太阳 光的利用率，改善电池的光电转换效 率[6-7]。图5给出了典型的具有堆叠结 构的有机太阳能电池器件的结构示意 图，采用这种结构制备的有机太阳能 电池的开路电压在理论上为2个单独 的电池单元的开路电压值的加和，而 且光电转换效率也可得到明显改善。 3.使用折叠结构改善有机太阳能 电池对太阳光的利用率 通常的有机太阳能电池为平面结 构，但如果把有机太阳能电池制备成 V字型折叠结构，则单位投影面积内 对太阳光的吸收则会大幅度增加。这 一方面归因于有效面积的增加；另一 方面则因为太阳光在V字型结构中经 反射后可增加二次吸收的概率，因而 对太阳光的利用率得到大幅提高。图6 为采用具有V字型折叠结构的有机太 阳能电池的结构示意图，采用这种结 构的器件的另一个优点是适合制备交 替型堆叠器件，即在V字型的一个坡 面上构筑一种电池单元（电池单元1）， 而在V字型的另一个坡面上构筑另一 种电池单元（电池单元2），从而使有 机太阳能电池的光电转换效率得到进 一步提高。据文献报道，这种结构的有 机太阳能电池在光电转换效率方面可 以得到近2倍的改善[8-9]。 三、有机太阳能电池的产业化 前景 近几年，世界各国在有机太阳能 电池的研究方面都予以了极大支持， 因而其得到了迅猛的发展。2010年初， 国际上报道的有机太阳能电池的最高 光电转化效率为7.4% [10]，但是仅短短 1年多的时间，到2011年4月份这一数 值已经提升至9.2% [11]。表1中给出了 近1年来国际上报道的有机太阳能电 池光电转化效率的发展进程。 虽然目前有机太阳能电池的光电 转换效率较无机太阳能电池还有不小 的差距，但是大多数该领域的研究人 员认为通过合成性能优良的新型有机 半导体材料，以及对器件结构进行改 善，有机太阳能电池的光电转化效率 将很快达到10%，而且有望在不久的 将来达到15%。由此可见，有机太阳能 电池就效率而言很快便能达到产业化 应用的要求，但是研究者普遍关心的 还有电池寿命这一问题。据美国斯坦 福大学的McGehee教授报道，他们用 实验加速装置测试以N-9'-十七烷 基-2,7-咔 唑 － 5,5-(4',7'-二-2- 噻吩基-2',1',3'-苯并噻二唑)交替 共聚物（PCDTBT）(分子结构如图 7 图5 具有堆叠结构的有机太阳能电池的 结构示意图 注 ：其中电池单元1和电池单元2为不同的 有机半导体活性层，它们对太阳光谱有不 同的响应范围（例如电池单元1中的有机半 导体材料对红外光有响应，而电池单元2中 的有机半导体材料对可见光有响应） 注 ：棕色和蓝色分别代表对太阳光谱有不 同的响应范围的2种电池单元 图6 具有V字型折叠结构的有机太阳能 电池器件 表1 近1年来国际上已报道的有机太阳能电池光电转化效率的发展情况 公司（机构）名称 日期 效率 芝加哥大学(The University of Chicago) 朔荣有机光电科技公司（Solarmer Energy Inc.） 赫里阿泰克公司（Heliatek） 科纳卡公司（Konarka） 三菱化学（Mitsubishi Chemical） 2010年1月 2010年7月 2010年10月 2010年11月 2011年4月 7.4%a 8.13%b 8.30%b 8.30%b 9.2%b 注 ：a数据来源于参考文献[10]，b数据来源于参考文献[11]。 Advanced Materials Industry 46 透 视 INSIGHT 参考文献 [1] Günes S,Neugebauer H，Sariciftci N S.Conjugated Polymer-Based Organic Solar Cells[J].Chem.Rev.,2007,107（4）： 1324-1338. 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Chem.C,2007,111（7）：2834-2860. 所示)作为活性材料的有机太阳能电 池的使用寿命，发现其寿命可达到7 年之久[11]。通过一些改善 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ，有机太 阳能电池的使用寿命有望延长至10 年。虽然有机太阳能电池的寿命要比 结晶硅型太阳能电池寿命（20年以上） 短许多，但是因为其制造成本要远远 低于结晶硅型太阳能电池，因此，有机 太阳能电池仍会有广阔的产业化应用 前景。 目前，全世界每年约有 10G W 左右的太阳能电池被制造并投入使 用，然而目前全球对能源的需求量 为13TW[12]。随着煤、石油、天然气等不 可再生能源的日益减少，太阳能电池作 为一种有效的清洁能源实际上需要每 年以太瓦（TW）规模来进行生产才能 够满足社会的需求。而要实现这一目 标，需要设法使太阳能电池依靠低成 本、能稳定供应的材料及简捷的生产工 艺制造出来。有机太阳能电池的自身特 点完全可以满足上述要求，而且以其目 前的发展速度我们有理由相信有机太 阳能电池必将具有美好的产业化前景， 为人类生活带来巨大的变化。 10.3969/j.issn.1008-892X.2011.11.011 图7 有机太阳能电池材料PCDTBT的分子结构式