Advanced Materials Industry 42
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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
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新材料产业 NO.11 2011 43
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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
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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。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
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指标
表
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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
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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]。
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参考文献
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Nanotechnol.,2010,5(8):574-578.
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[12] Kamat P V.Meeting the Clean Energy Demand:Nanostructure Architectures for Solar Energy Conversion[J].J.Phys.
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,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