科学之友 Ｆｒｉｅｎｄ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ａｍａｔｅｕｒｓ ２００８ｉＦ，－ＩＯ，ＥＪ（３０）国 有机薄膜太阳能电池初探 靳新慧。 （太原市清洁能源技术工程中心，山西摘太原０３００２４） 要：文章围绕有机薄膜太阳能电池的概况、分类及发展趋势分析，得出利用这有机、无 机材料优点制备有机／无机复合材料并应用于有机薄膜太阳能电池进行阐述。 关键词：有机薄膜太阳能电池；光电转换效率；趋势 中图分类号：ＴＭ９１４．４１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—８１３６（２００８）３Ｏ一０１３８一Ｏ２ 在能源日趋枯竭，环境污染日益严重的今天，寻找一种清洁 的可再生的新能源已经迫在眉睫。太阳能是一种清洁的可再生 的新能源，它是人类可以利用的最丰富的能源，同时具有取之不 尽用之不竭的优点。目前，太阳能的利用有两种方式：光热转换 和光电转换，其中，光热转换技术已相对成熟；光电转换主要针 过进一步研究，有望开发出光电转换效率达２０％的可投入实用 的有机薄膜太阳能电池，也许在不久的将来，塑料材料的太阳能 电池将出现在人们的日常生活中。 ２有机薄膜太阳能电池的分类 有机薄膜太阳能电池按照有机半导体层材料的差别。可分 为３类：单质结结构有机薄膜太阳能电池、ｐ－ｎ异质结结构有机 薄膜太阳能电池、Ｐ—ｎ本体异质结结构有机薄膜太阳能电池。 ２．１ 单质结结构有机薄膜太阳能电池 单质结结构有机薄膜太阳能电池是研究最早的有机薄膜太 阳能电池。其电池结构为：玻璃／金属电极／染料／金属电极， 即为２种功函不同的电极之间为一单一的有机半导体层。一般 常用各种有机光伏材料均可被制成此类有机薄膜太阳能电池， 如酞青类化合物、卜啉、青染料、叶绿素、导电聚合物等有机材 料。目前，实验室中以聚合物和有机分子材料制造的有机薄膜太 阳能电池光电转换效率可达５％，接近于目前非晶硅的转化效率 （５％ １０％）。 ２．２ ｐ－ｎ异质结结构有机薄膜太阳能电池 对光伏电池在光电转换效率和电池成本两方面研究较多。光伏 电池大致可分为晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池，其中，晶 体硅太阳能电池由于成本高等原因已出现供不应求的局面；薄 膜太阳能电池由于具有可制备在柔性衬底上，可采用印刷或打 印的方式实现工业化生产，可大面积制备。较低的生产成本、绿 色能源、无环境污染等优点而越来越被各国的研究单位、企业所 重视。薄膜太阳能电池的研究始于２Ｏ世纪６０年代，目前从国际 上的发展趋势看，主要是非晶硅薄膜太阳电池、微（多）晶硅薄膜 太阳电池、铜铟硒薄膜太阳电池、碲化镉薄膜太阳电池、染料敏 化薄膜太阳能电池和有机薄膜太阳能电池。 １有机薄膜太阳能电池概述 有机薄膜太阳能电池是把两层有机半导体薄膜结合在一起， 其光电转换效率约为ｌ％。有机薄膜太阳能电池使用塑料等质轻 柔软的材料为基板；有机小分子光电转换材料本身具有低成本， 可以加工成大面积；合成、表征相对简单，化学结构容易修饰，可 根据需要增减功能基团；可通过不同的方式互相组合，以达到不 同的目的。因此，人们对它的实用化期待很高，研究人员表示，通 ｐ—ｎ异质结结构有机薄膜太阳能电池结构为：玻璃，ｒｍ，ｎ一 染料／ｐ一染料／金属电极。由于其具有给体——受体异质结结构 的存在，所以ｐ—ｎ异质结结构有机薄膜太阳能电池较单质结结构 有机薄膜太阳能电池的光电转换效率要高。因此，成为后来研究 的重点。 如，纸张生产厂采用该技术可利用生产厂的ＣＯ 生产纸张，从而 降低成本和减少ＣＯ 排放。 （３）－－氧化碳全降解塑料。河南天冠集团利用工业废气二氧 化碳合成的可降解塑料可完全降解，不仅从源头上减少了污染， 而且不会带来二次污染。其利用廉价的二氧化碳（８００元／ｔ）生产 吨，但国内生产能力不到ｌＯ万ｔ，远远赶不上市场的需求。二氧 化碳全降解塑料具有良好的社会效益和环境效益，拥有很大的 发展前景。 （４）其他。二氧化碳还可以用来生产干冰等副产品。而且，干 冰与空气配合的区域供冷技术，在北方地区也有较好的应用前 景。 具有高附加值的可降解塑料（２５ ０００元／ｔ），具有良好的经济效 益。目前，国内高品质、全降解高分子塑料每年需求量超过百万 １ＵｌＳＣＵｓｓｌ０ｎ ｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ＵＳｅ ● ■ Ｈｕ Ｊｉａｎｇｙｏｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｉｓ ｎｏｔ ｉｍｍｕｔａｂｌｅ．Ａｓ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｄｖａｎｃｅｓ．ｓｏｍｅ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｎｏｔ ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ ｂｙ ｈｕｍａｎ ａｒｅ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｕｎｖｅｉｌｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｏｆ ａｌｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ａｌｓｏ ｂｅｉｎｇ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｕｓｅ ｗｉｌｌ ｂｅ ｄｉｖｅｒｓｉｆｉｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｐｒｏｍｏｔｅ ｔｈｅ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｏｃｉｅｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｎｅｒｇｙ ｕｓｅ；ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ；ａｉｒ；ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ 科学之友 Ｆｄｅｎｄ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ａｍａｔｅｕｒｓ ２ｏｏ８￣１０￣（３０）囝 ｐ－ｎ异质结结构有机薄膜太阳能电池因存在Ｄ／Ａ界面使激 子的分离效率提高，同时电子和空穴分别在不同的材料中传输， 使得复合几率降低，因而具有较高的光电转换效率。但由于有效 的电荷分离只能发生在Ｄ／Ａ界面处，即在接近于激子扩散途径 或空间电荷区域附近，而在远离Ｄ／Ａ界面处产生的激子就会先 扩散到异质结界面处而复合掉。同时电荷分离被限制在电池较 流子损失和吸收光子的损失３个方面来提高电池的转化效率。 同时，制备电池所选择的工艺流程及环境气氛、混合时所用 给体和受体的比例也是影响有机薄膜太阳能电池光电转化效率 的因素。Ｇ．Ｄｅｎｎｌｅｒ等人将ＭＤＭＯ—ＰＰＶ与ＰＣＢＭ按不同比例相 混合作为有机层制作的有机薄膜太阳能电池，发现增加ＰＣＢＭ 的比有助于提高太阳能电池的性能。 小的区域，从而使吸收光子的数量受到限制，所以此类有机薄膜 太阳能电池的光电转化效率仍然较低。因而增加Ｄ／Ａ界面、改进 电池结构、开发新材料在提高有机太阳能电池光电转换效率上 显得尤为重要。 ２．３ ｐ—ｎ本体异质结结构有机薄膜太阳能电池 ３有机薄膜太阳能电池的趋势及展望 有机太阳能电池的研究现状及成熟程度相对与无机太阳能 电池具有很大差距，因此，可以借鉴研究无机材料的成熟技术及 研究思路等推进有机光伏材料的研究进展，并应用于器件，通过 优化器件结构、改善材料性质等提高有机太阳能电池的综合性 能。如无机太阳能电池的高光电转换效率和ｐ－ｎ掺杂都曾给了 ｐ－ｎ本体异质结结构有机薄膜太阳能电池是近年来研究的 热点，具有巨大的开发潜力。其电池结构为玻璃／ＩＴＯ／Ａ＋Ｄ混合材 料／金属电极。 自１９９７年Ｃａｏ等报道了由给体（ＭＥＮ—ＰＰｖ）和受体（Ｃ６０）混 合成膜而制成的器件具有较高的转化效率，人们开始了对此类 有机薄膜太阳能电池的研究。在此结构中给体和受体分子紧密 接触而形成Ｄ—Ａ连接网络，增加了Ｄ／Ａ接触，从而提高了光电转 化效率。在理想情况下，电荷分离与收集具有同等效率，但实际 上复合体微观结构是无序的，两种组分可能是以孤岛形式存在， 网络之间存在大量缺陷，从而阻碍了电荷的分离和传输。如果能 有效减少这些孤岛尺寸，就会增加有效的Ｄ／Ａ界面面积，从而提 高电池的光电转化效率。Ｓｕｎ利用非共轭柔性链作为Ｄ／Ａ的桥梁 合成了有序的本体异质结太阳能电池，试图从减少激子损失、载 有机太阳能电池很大启发，后来出现的双层异质结和本体异质 结等都是基于此产生的。同时，有机材料与无机材料各有其优缺 点，充分利用这两种材料优点制备有机／无机复合材料而应用 于有机太阳能电池，将成为以后研究的热点。 染料敏化太阳能电池在目前研究众多的有机太阳能电池中 具有较高的转化效率、改进方向，新型、合适敏化剂的探索、制备 工艺的改进及纳米化薄膜化的研究可能成为又一个热点。 纳米材料因是由超微粒组成，且这些微粒边界区的体积大 约是材料总体积的５０％，因此，利用纳米材料组装有机太阳能电 池，其特殊结构可能会使有机太阳能电池的研究产生较大进展。 ｏｎ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ Ｊｉｎ Ｘｉｎｈｕｉ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｒｔｅｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｓｏｌａｒ ｃｅｉｌｓ，ｄｒａｗ ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｔｈａｔ ｏｒｇａｎｉｃ，ｉｎｏｒ— ，ｇａｎｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｍｄｕｎｃｅ ｏｒｇａｎｉｃ／ｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｓｏｌｒ ｃｅｌａｌｓ，ａｎｄ ｉｔ ｗｉｌｌ ｂｅ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｈｏｔｓｐｏｔ． Ｋｅｙｗｏｒ￣：ｔｈｉｎ ｆｉｍ ｓｏｌｌａｒ ｃｅｌｌｓ；ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｔｒｅｎｄ