浅谈有机太阳能电池

赵亮

摘 要：有机太阳能电池具有效率高、成本低、工艺简单、耗能少、易于大规模生产等优势，成为近十年来国内外科研人员研究的热点。文章介绍了有机太阳能电池的工作原理，电池材料和种类，并对其应用前景进行了展望。

关键词：有机太阳能电池 工作原理 材料和种类 应用前景

中图分类号：TM914.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（c）-0112-02

Abstract：Organic solar cells have become a hot study issue among researchers home and abroad in recent decades， which possess a lot of advantages，such as high efficiency， low cost， simple operation， less energy consumption and easy for mass production. The paper introduces the operating principles，materials，categories，as well as perspectives of organic solar cells.

Key Words：Organic solar cells； Operating principles； Materials and Categories； Application prospect

太阳能取之不尽，用之不竭，，清洁无污染[1]。太阳能电池工作过程就是把入射太阳光的光能量转化为电能的过程。太阳能以其分布广、利用形式多样、环保无污染等特点而成为新能源开发利用的重点。

近些年来人们研制和开发了许多不同类型的太阳能电池[2]。目前研究和开发的种类包括单晶硅、多晶硅、有机材料、钙钛矿等太阳能电池。其中有机半导体材料一方面因其成本低，质地轻，柔韧性好，另一方面又因其制备工艺简单，可低温操作，环境友好等优点，逐渐成为人们的关注焦点和研究内容。

1 有机太阳能电池的发展

太阳能电池的主要是朝着降低制造成本，改善太阳能电池的性能和减少大规模生产对环境造成的影响发展的。人们开始探索有机化合物应用到太阳能电池可追溯到20世纪70年代。肖特基电池为最早期的有机太阳能电池[3]，有机太阳能电池从单层有机电池结构，双层异质结电池结构，体异质结电池结构一路发展过来，其中体异质结电池结构对有机太阳能电池效率的提升有着极大的促进作用，从十几年的发展来看有机太阳能电池有着非常光明的应用前景。

2 有机太阳能电池的特点

和晶硅太阳能电池相比较，有机太阳能电池具有如下优点：（1）原料来源广泛且清洁无污染。（2）电池制作多样化。（3）能够多途径改变、提高材料光谱吸收能力。（4）加工容易，可大面积成膜。（5）廉价、工艺简单，使得有机太阳能电池具有很强的竞争力。

3 有机太阳能电池工作原理

工作原理：（1）在光子入射到光敏材料时，吸光材料吸收光子电子从HOMO轨道受激发跃迁到LUMO轨道上，在 HOMO轨道上形成一个空穴。（2）形成的电子和空穴相互束缚形成电子-空穴对，也叫做激子。（3）在內建电场作用下，二者定向移动，电子被阴极收集，空穴被阳极收集，形成光电流。（4）外部电路若被接通，内部形成的电流被释放形成回路。

4 有机太阳能电池材料

4.1 有机小分子太阳能电池材料

有机小分子是制造太阳能电池材料的一种途径，作为光电材料常常采用蒸镀的方法，经多年以来的发展，也可以采用溶液加工方式。由于其结构唯一，易纯化，在材料批量生产中显示出了重要的特色，在有机小分子分子自行的组织过程中太阳能电池功效也得到了提升[4]。其中酞菁类化合物（phthalocyanine）比较典型，因其易得廉价，热稳定性好而成為重要半导体基础材料。

4.2 有机大分子电池材料

共轭聚合物是具有半导体性质的有机大分子化合物[4]。通常聚合物给体材料在对光的吸收利用中起主导作用，因此需减小聚合物给体材料带隙能够拓展对太阳光的吸收。聚合物给体材料还需要较高的空穴迁移率以迅速地将光生空穴输运至阳极[5]。聚合物材料主要有聚噻吩（PTH）衍生物、聚苯胺（PANI）等。

4.3 D-A体系

为解决共轭聚合物给体和C60受体和它们之间的受体问题，将具有给电子性质的分子以共价键的方式连接到受体上，形成分子级的D-A结材料[6]。它可以减小聚合物给体材料带隙，提高迁移率，能够满足网络输出中工作要求。这些材料一直是我国太阳能电池研究的重点内容[7]。

4.4 有机无机杂化体系

以共轭聚合物（电子给体材料）和无机半导体材料（电子给体材料）的复合材料为主要原料，随着人们研究的不断深入，无机半导体与C60衍生物共用作为受体材料的研究也广受关注，无机半导体表面的改性研究也将日益俱增。目前，将噻吩聚合物接到纳米管表面，可共同发挥作用，可提高电池与光能的接触面积[8]从而保证供电质量。

4.5 模拟叶绿素分子结构材料

绿色植物的光和作用给了人们很大的启发，研制出了有机半导体材料-模拟叶绿素材料。叶绿素分子受光激发后产生电荷分离态是其中关键的一步，并且电荷分离态的寿命可长达1 s。电荷分离态存在时间越长对电荷的输出越有利。美国阿尔贡国家实验室的工作人员合成了化合物C-P-Q[9]。

5 有机太阳能电池分类

5.1 单质结结构有机太阳能电池

单质结有机太阳能电池的有效层中只有一种材料（主要是MgPc染料），其电池结构：玻璃/金属电极/染料/金属电极。其工作原理为：两个电极的功函差或金属与有机材料接触而形成的肖特基势垒产生内电场[10]。电子被低功函数的电极提取，空穴被来自高功函数的电子填充，则在光照下形成光电流。但由于有机染料内激子的迁移距离相当有限，所以在同一材料中传输因而复合几率较大，因而光电转换效率普遍较低（一般<0.01%）。endprint

5.2 p-n异质结结构有机太阳能电池

电池结构：玻璃/ITO/n-染料/p-染料/金属电极。其工作原理为：给体材料吸收光子后产生激子，激子会运动到给体-受体界面，在此电子会注入到作为受体的有机半导体材料中，激子分离出空穴和电子[13]，在内电场的作用下电子进入n侧，空穴进入p侧，二者分别转到两个电极上，形成光电流。较单质结有机太阳能电池而言，其引入了电荷分离的机制（给受体材料界面）明显提高了激子的分离效率，从而使p-n异质结结构有机太阳能电池光电转换效率高。但这种结构也有缺陷，由于激子的扩散长度（一个供体-受体界面长）有限，大多激子在到达界面之前就损失掉了，限制了吸收光子的数量，所以此类有机太阳能电池的光电转化效率还是不高[11]。提高有机太阳能电池光电转换效率的措施有：增加 D/A 界面、改进电池结构、开发新材料等。

5.3 p-n本体异质结结构有机太阳能电池

电池结构：玻璃/ITO/A+D混合材料/金属电极，它是有机太阳能电池发展历程中出现的新型结构。形成的给体和受体材料互相贯穿的导电网络中任何位置产生的激子，都可以通过很短的路径到达给体-受体界面，使电荷分离效果得到提高，因而也使得光电转化效率得到提高。但这种结构也存有缺陷：由于给体和受体区在电极间并不是真正的连接，因此在任何小区域内载流子都可能会被阻拦或捕获。提高电池的光电转化效率的一条方法就是必须增加有效的D/A界面面积[11]。

5.4 染料敏化太阳能电池

染料敏化太阳能电池是由导电基体材料（透明导电玻璃）、纳米多孔半导体薄膜（TiO2）、染料光敏化剂（Ru的络合物）、电解质（I2/I3-）和对电极构成。其工作原理和叶绿体光合膜光合作用原理十分类似，光子对光合膜作用的结果，实质是光合膜内外营造了一个电场，电子从膜内传送到膜外，在膜内留下空穴，在光子作用下电子运动构成了内外电流用[12]。它的优点是制作方法简单，无毒无污染，光电转化效率高，成本低。是目前非晶硅太阳能电池的有力竞争者，目前它的效率超过11%[13]。但它的缺点就是使用的电解质是液体，使用起来不方便。

6 展望

有机太阳能电池可以很好地克服傳统太阳能电池面临的部分问题，与传统太阳能电池形成优势互补，两者的结合将显著拓展太阳能电池的实际应用领域，而且有机太阳能电池材料能够容易进行分子水平上的裁减和设计，它的生产工艺简单，可以制备大面积轻盈薄膜等[9]，具有很大的潜力和光明的前景。但不足也很多，目前首要方向应该是开发新型活性材料，要求其能够对太阳光宽谱吸收。总而言之，可以预测：效率高、成本低、工艺简单的有机太阳能电池在不久的将来必然会商业化和广泛普及。

参考文献

[1] 李政道，陈亮，周勇，等.纤维状染料敏化太阳能电池研究进展[J].科学通报，2017（14）：1480-1491.

[2] 黄飞，张凯.有机太阳能电池[J].科学，2016，68（3）：20-24.

[3] 蔡东东，朱德钦.有机太阳能电池材料研究进展[J].广州化工，2012（7）：69-71.

[4] 许红波.有机太阳能电池材料研究新进展[J].科技创新与应用，2016（9）：86.

[5] 朱美芳，熊绍珍.太阳能电池基础与应用[M].2版.北京：科学出版社，2014：551.

[6] 王启明，褚君浩，郑有.太阳能电池发展现状及性能提升研究[M].北京：科学出版社，2014：145.

[7] 黄林泉，周玲玉，于为，等.石墨烯衍生物作为有机太阳能电池界面材料的研究进展[J].物理学报，2015（3）：26-35.

[8] 廖艳闺.有机太阳能电池材料研究新进展[J].科技创新与应用，2016（13）：64.

[9] 段晓菲，王金亮，毛景，等.有机太阳能电池材料的研究进展[J].大学化学，2005（3）：1-8.

[10] 张天慧，朴玲钰，赵谡玲，等.有机太阳能电池材料研究新进展[J].有机化学，2011（2）：260-272.

[11] 李甫，徐建梅，张德.有机太阳能电池研究现状与进展[J].能源与环境，2007（4）：52-54.

[12] 张春福，张进成，马晓华，等.半导体光伏器件[M].西安电子科技大学出版社，2015：262.

[13] 刘小青，王立.有机太阳能电池应用前景展望[J].能源研究与管理，2010（4）：1-3.endprint