有机聚合物太阳能电池——最轻便清洁的能源转换新技术

有机聚合物太阳能电池
——最轻便清洁的能源转换新技术

经济发展建立在消耗资源的基础上，社会持续发展带来能源开采和利用，造成现在面临的能源短缺问题。根据世界能源机构2012年的分析数据显示，世界石油、天然气、煤、铀的剩余开采年限仅为45年、60年、230年和70年，化石能源日益枯竭。同时，传统化石燃料的使用产生大量温室气体，从而引发温室效应、全球变暖现象，以及雾霾灾害天气的频频发生；化石燃料中的杂质燃烧后向大气中释放氮、硫等物质，影响环境健康，打破生态平衡。能源问题已经成为世界各国急需解决的热点问题之一，开发和利用新型、绿色、可再生、清洁能源是解决当前能源危机问题的最有效途径。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的无污染洁净能源，是未来最具开发潜力的新能源之一。将太阳能直接转换为电能和热能造福于人类一直是科学家的追求目标。因而自从1954年第一块单晶硅太阳能电池问世以来，人们对利用半导体太阳能电池解决将来由于矿物燃料枯竭而引起的能源危机寄于很大希望。中国对太阳能电池的研究起步于1958年，20世纪80年代末期，国内先后引进了多条太阳能电池生产线，使中国太阳能电池生产能力由原来的3个小厂的几百KW一下子提升到4个厂的4.5MW。2002年后，欧洲市场特别是德国市场的急剧放大和无锡尚德太阳能电力有限公司的横空出世及超常规发展给中国光伏产业带来了前所未有的发展机遇和示范效应。2008年以后，全国太阳能电池的产量为200万KW，中国已经成为超越欧洲、日本的世界太阳能电池生产第一大国，光伏电池产量占全球产量的比例从2002年1.07%增长到2008年的近15%，商业化晶体硅太阳能电池的效率从13%-14%提高到16%-17%，形成以长三角、环渤海、珠三角、中西部地区各具特色的太阳能产业集群带。

虽然太阳能产业在可再生能源中占有很大的份额，受到了很多社会关注和资本投资，但是该产业依旧面临几个重要的问题：一是转化效率有待提高，现今普遍使用且能量转换效率已经很高的硅太阳能电池转化效率仅为17%-22%；二是光伏器件的制造和安装成本仍需进一步降低，才能实现真正的全面推广和应用；三是光伏器件如太阳能硅板的生产制造过程能耗高、且易产生污染。目前研究和应用最广泛的太阳能电池主要是单晶硅、多晶硅和非晶硅系列无机硅材料太阳能电池，其中无机硅材料太阳能电池由于原料成本高、生产工艺复杂、且材料本身不利于降低成本等因素限制了它的民用化。因此，开发低成本太阳能电池的有效途径之一就是寻找廉价、清洁环保、稳定性好、易大面积制造，具有良好光伏效应的新型太阳能电池材料。有机聚合物太阳能电池具有清洁环保、成本低、制作工艺简单、重量轻、可制备成柔性器件，以及共轭聚合物材料原料种类繁多、可设计性强，且通过材料的改性可以有效地提高太阳能电池的性能等突出优点，是未来极具潜力的性价比高的能源转换新技术。

由中国科学院院士李永舫领导的中科院化学研究所有机固体院重点实验室课题组，一直以来致力于共轭高分子和有机聚合物太阳能电池研究的最前沿，主要从事聚合物太阳能电池光伏材料和器件、导电聚合物电化学和半导体纳米晶体材料等方面的研究。为了提高有机聚合物太阳能电池的光电转换效率，从2000年开始，李永舫院士及其科学家团队从聚合物太阳能光伏材料的分子设计入手，解决各个科研瓶颈难题逐步提高聚合物太阳能电池的光电转换效率，并于2016年3月在全聚合物太阳能电池的研究方面取得突破进展。他们使用基于噻吩取代苯并二噻吩和氟取代苯并三氮唑的中间带隙二维共轭D-A共聚物J51为给体、n-型窄带隙聚合物N2200为受体制备了全聚合物太阳能电池，通过器件优化实现了8.27%的能量转换效率，为当年文献报道的全聚合物太阳能电池最高值。这一高的能量转换效率得益于聚合物给体与受体吸收光谱互补、氟取代二维共轭聚合物J51给体较低的HOMO能级和较高的空穴迁移率，以及使用了他们开发的苝酰亚胺类PDINO阴极界面修饰层材料(Energy Environ. Sci. 2014,7, 1966-1973)。随后在2016年12月，李永舫院士带领研究团队又发展了一系列基于噻吩取代苯并二噻吩(BDTT)与苯并三氮唑(BTA)单元的中间带隙二维共轭聚合物给体材料，通过侧链工程降低了HOMO能级，增强了链间相互作用，提高了空穴迁移率，使基于这类聚合物为给体、ITIC为受体的非富勒烯聚合物太阳能电池的能量转换效率达到11.4%。目前，实验室小面积器件能量转换效率已突破12%，可以向应用阶段发展。该项研究所取得的全新进展和突破，对于重新认识有机聚合物太阳能电池中的激子电荷分离的驱动力具有重要意义，也为将来的高效共轭聚合物给体光伏材料的分子设计提供了一种新思路和新途径，将对有机光伏领域的发展起到促进作用。

(a)给受体聚合物材料的分子式和吸收光谱图； (b)J51: N2200器件的电流密度-电压曲线；(c)外量子转化效率。（发表于Nat. Commun.2016, 7, 13651）

非富勒烯聚合物太阳能电池给体光伏材料的侧链工程及其HOMO能级和器件性能（发表于Nat. Commun. 2016, 7, 13651）

有机聚合物太阳能电池（Polymer Solar Cell, PSC）是一般由共轭聚合物给体{如聚3-己基噻吩（P3HT）}和富勒烯（PCBM）衍生物（或非富勒烯聚合物）受体的共混膜（作为光敏活性层）夹在ITO（氧化铟锡）透光电极（正极）和金属负极之间所组成的太阳能电池。有机聚合物太阳能电池的工作原理是利用有机化合物从阳光产生电能：当光透过ITO电极照射到活性层上时，活性层中的共轭聚合物给体吸收光子产生激子（电子—空穴对），激子迁移到聚合物给体/受体界面处，在那里激子中的电子转移给电子受体PCBM的最低未占有分子轨道（LUMO）能级，空穴则保留在聚合物给体最高占有分子轨道（HOMO）能级上，从而实现光生电荷分离，然后在电池内部势场（其大小正比于正负电极的功函数之差、反比于器件活性层的厚度）的作用下，被分离的空穴沿着共轭聚合物给体形成的通道传输到正极，而电子则沿着受体形成的通道传输到负极。空穴和电子分别被相应的正极和负极收集以后形成光电流和光电压，即产生光伏效应。

有机聚合物太阳能电池工作原理示意图

PSC具有清洁环保、原料广、可大面积制造、成本低、光伏材料可自行设计合成以及可制备成柔性器件等诸多优点，尤其是薄、轻、柔是无机半导体太阳电池不可替代的优点，成为近年来国际上前沿科学的研究热点之一。有机聚合物材料种类繁多，可设计性强，有希望通过结构和材料的改性来提高太阳能电池的性能；而聚合物半导体材料可以溶解在有机溶剂中形成“电子墨水”，之后通过丝网印刷、喷墨打印、卷对卷等溶液加工法制成薄膜光电器件；溶液法加工工艺可以实现聚合物太阳能电池低成本、高通量的制备，同时提供传统无机太阳能电池所不具备的柔性、轻便等优点和特性，使聚合物太阳能电池作为清洁可再生能源具有重要的商业应用价值。

被《科普中国-科技名家风采录》描述为“光能转化探索者”的李永舫院士表示：“最大的愿望就是实现有机聚合物太阳能电池的应用，那么我这一辈子的工作，就没有白做”。他下一步的研究目标是解决有机聚合物太阳能电池稳定性和大面积制备的技术难题，达到大规模产业化应用，让人们使用更轻便清洁的有机太阳能电池。

（胡万明，中国科学院老专家技术中心；参考来源：中国科学院化学研究所、《国科大》）