你了解有机太阳能电池吗?

作者/张国楷，济南市历城第一中学

你了解有机太阳能电池吗?

作者/张国楷，济南市历城第一中学

21世纪以来，全球性能源问题日渐突出，太阳能电池是解决该问题的最有希望的绿色技术。首先，本文阐述了无机太阳能电池的种类及其存在的问题。其次，本文阐述了有机太阳能电池的优点和研究意义，并且从结构、原理、材料三个方面对于当前有机太阳能电池的发展现状进行概述。在此基础上，探讨了未来有机太阳能电池的发展前景与趋势。

无机太阳能电池；有机太阳能电池；工作原理；结构；有机材料

引言

进入21世纪以来，面对全世界的能源问题和环境问题，人们对于新能源的需求和重视更加强烈，迫切需要可再生的、环境友好的新能源作为化石燃料的替代品。相对于其它的新能源，太阳能具有其取之不尽用之不竭、安全无风险、适用区域广泛等诸多优点。据统计，人类每年消耗的能量大概为1.11×1014kWh，而太阳每小时辐射到地球的能量约为1.78×1014kWh。如果能够充分利用巨大的太阳辐射能，人类面临的能源危机和环境污染问题将得到根本的解决。太阳能电池是一种将太阳光能转化为电能的有效途径。按照材料种类，太阳能电池包括无机太阳能电池和有机太阳能电池两大类。

1.无机太阳能电池

本世纪70年代中期开始了地面用太阳电池商品化以来，晶体硅就作为基本的电池材料占据着统治地位。以晶体硅材料制备的太阳能电池主要包括：单晶硅太阳电池，多晶硅太阳能电池，非晶硅太阳能电池和薄膜晶体硅电池。

（1）单晶硅太阳能电池是硅系列太阳能电池中，单晶硅大阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。单晶硅太阳能电池转换效率是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。

（2）多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远较单晶硅少，又无效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池，因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。

（3）非晶硅薄膜太阳能电池。非晶硅薄膜太阳能电池能够有效降低生产成本，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得到迅速发展。但是该电池的性能和稳定性不高，直接影响了它的实际应用。

（4）多元化合物薄膜太阳能。为了寻找单晶硅电池的替代品人们不断研制其它材料的太阳能电池，电池其中主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。上述电池虽然能够取得较高的电池效率，但是电池中往往含有有毒元素而造成严重的环境污染环境。因此，这些多元化合物薄膜也不是无机太阳能电池最理想的替代材料。

从固体物理学上讲，硅材料并不是最理想的光伏材料。这主要是因为硅是间接能带半导体材料，其光吸收系数较低，所以其它光伏材料的研究成为一种新方向，也是获得高性能太阳能电池的关键点和难点。

2.有机太阳能电池

一般对太阳能电池材料有如下一些要求：要充分利用太阳能辐射；有较高的光电转换效率；材料本身对环境不造成污染；材料便于工业化生产且材料性能稳定。还要从原料资源、生产工艺和性能稳定性等方面综合考虑。改善太阳能电池的性能，降低制造成本以及减少大规模生产对环境造成的影响是未来太阳能电池发展的主要方向。相对无极太阳能电池，有机太阳能电池具有材料种类多、质量轻、制造成本低、柔性和可大面积成膜等诸多优点。经过二十年的快速发展，有机太阳能能电池的光伏性能已经取得了很大进步，其能量转化效率已经突破13%，在未来的商业化应用中具有非常大潜力。

■2.1 有机太阳能电池结构

有机太阳能电池具有“三明治”结构（如图1所示），由中间的吸收太阳光的活性层和两侧的透明导电阳极和金属阴极组成。中间的活性层由两种特定性质的有机材料组成，起到吸收太阳光和生成自由移动电荷的作用。两侧电极进行电荷收集工作。在早期的研究中，活性层是两种有机材料组成的双层异质结构（如图1a所示）。[1]这种结构受到材料性质的影响而限制了活性层厚度，无法有效利用太阳能光。在1995年，Yu 等人将给体材料受体材料共混作为活性层，形成了所谓的本体异质结（BHJ）结构（如图1b所示），显著提高了太阳能电池的性能。[2]这种本体异质结结构形成了活性层的互穿网络结构，能够有效的提高电荷分离和传输过程，是有机太阳电池领域的重大突破。

图1 有机太阳能电池结构

■2.2 工作原理和参数

有机太阳能电池的工作原理是光生伏特效应，包括五个基本过程：（1）光吸收过程，生成激子；（2）激子扩散；（3）激子解离，生成自由电荷；（4）电荷传输；（5）电荷收集。这五个基本过程是有机太阳能电池的工作基础，也是有机太阳能电池的主要研究内容。同时，对于有机太阳能电池表征主要包含四个参数：短路电流（Jsc）、开路电压（Voc）和填充因子（FF）和能量转化效率（PCE）。能量转化效率是衡量有机太阳能电池性能的标准，等于短路电流、开路电压和填充因子（FF）三个参数之乘积。短路电流是电池上施加电压为零时电池外回路上的电流。影响短路电流的主要因素是有机材料材料的吸光性和电池的制备工艺。开路电压等于电池的外部电路断路或者电流为零时，器件两端施加电压的大小，主要取决于有机材料的能级分布。填充因子定义为太阳能电池提供的最大功率与Voc·Jsc乘积的比值，说明了该电池能够对外提供最大输出功率的能力。填充因子越大，意味着太阳能电池的电流电压特性更接近恒流源的性质以及得到更高输出功率的能力。总体而言，有机材料的种类和纯度、器件结构及工艺水平都会不同程度影响有机太阳能电池的光伏性能。

■2.3 有机太阳能电池材料发展

活性层中有机材料的选择不仅影响到光伏过程的前四个过程，而且直接决定了电池的短路电流、开路电压和填充因子。因而，对于有机太阳能电池种有机材料的设计开发具有重要的作用和意义。下面简单介绍一下活性层材料的发展过程。

在过去的二十年，有机太阳能电池的发展主要归功于有机材料的广泛研究，有机太阳能电池的性能从1%迅速提升到11%。在有机太阳能电池发展的最初阶段，选择的给体材料是醌式结构窄带隙聚合物。在醌式结构中，交替的单键和双键趋向于平均化，即单键和双键区别弱化，体系中共轭电子的离域性增强。之后，人们又开发了 “D-A”型聚合物。“D-A”型聚合物是由给电子单元（D）进而缺电子单元（A）交替共聚形成。这种“D-A”型结构形成的分子链内电荷转移（ICT），可以有效地降低聚合物带隙，并有利于吸收光谱发生红移。该类材料中，2013年报道的聚合物PBDTEF-T是最经典的给体材料，并被广泛应用于有机太阳能电池的研究。[4]优异的电池性能来自于聚合物PBDT-EF-T非常宽的吸收光谱、合适的能级分布和活性层中很高的空穴迁移率。在大量给体材料设计合成的基础上，对于给体材料化学结构-材料性质-器件性能的构效关系认识不断加深，已经实现对材料性质的有效调控和针对材料要求进行目的性筛选。

近两年，非富勒烯有机太阳能电池成为新的研究热点并受到学术界和工业界的广泛关注。该类电池的主要特点是用有机材料代替富勒烯衍生物。富勒烯衍生物所具有的吸光性弱、能级难调控、价格昂贵和共混层中形貌稳定差的缺点再次受到人们的关注。这些缺点极大地限制了有机太阳能电池的性能提升和未来商业化应用。因而，非富勒烯受体材料的设计开发具有十分重要的科学价值和现实意义。非富勒烯受体材料不仅能够很好的克服富勒烯衍生物的缺点，而且表现出巨大的发展潜力。目前，最成功的非富勒烯受体材料是基于茚并二噻吩并噻吩的ITIC分子。ITIC分子具有非常窄的带隙和很低的能级分布，以及很高的电子迁移率。基于该分子作为受体材料的有机太阳能电池获得了13.8%能量转化效率[5]，极大地提升了有机太阳能电池性能，向着有机太阳能电池的商业化应用迈进了一大步。

3.总结与展望

目前，基于非富勒烯受体材料的有机太阳能能电池已经引起越来越多的关注和研究。理论化学家们也将目光投向了非富勒烯有机太阳能能电池这一领域，已经开始对形貌进行动力学分析，而形貌优化对提高太阳能电池的效率有显著作用。但是，大多数科学工作者将工作重点放在发展新型电子给体材料和受体材料，仅仅将目标放在实验室条件下制备PCE较高的有机太阳能电池。对于有机太阳能电池在未来商业化过程中所遇到的问题受到的很少关注，并未取得突破性进展。因此，有机太阳能电池大面积器件和器件稳定性的研究将逐渐成为该领域的新热点，也是有机太阳能电池走向商业化的下一个关键点。

* [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.