太陽能聚合物電池的原理及發展前景

　1. 有機/

聚合物太陽能電池

的基本原理

　　有機/聚合物太陽能電池的基本原理是利用光入射到半導體的異質結或金屬半導體界面附近產生的光生伏打效應（Photovoltaic）。光生伏打效應是光激發產生的電子空穴對一激子被各種因素引起的靜電勢能分離產生電動勢的現象。當光子入射到光敏材料時，光敏材料被激發產生電子和空穴對，在太陽能電池內建電場的作用下分離和傳輸，然後被各自的電極收集。在電荷傳輸的過程中，電子向陰極移動，空穴向陽極移動，如果將器件的外部用導線連接起來，這樣在器件的內部和外部就形成了電流。對於使用不同材料製備的太陽能電池，其電流產生過程是不同的。對於

無機太陽能電池

，光電流產生過程研究成熟，而有機半導體體系的光電流產生過程有很多值得商榷的地方，聚合物電池也是目前研究的熱點內容之一，在光電流的產生原理方面，很多是借鑑了無機太陽能電池的理論（比如說其能帶理論），但是也有很多其獨特的方面，現介紹如下：

　　一般認為有機/聚合物太陽電池的光電轉換過程包括：光的吸收與激子的形成、激子的擴散和電荷分離、電荷的傳輸和收集。對應的過程和損失機制如圖1所示。

圖1 聚合物太陽能電池光電轉換過程和入射光子損失機理

　　1.1 光吸收與激子的形成

　　當太陽光透過透明電極ITO照射到聚合物層上時，不是所有的光子都能被聚合物材料所吸收的，只有光子能量hν大於材料的禁帶寬度Eg時，光子才能被材料吸收，激發電子從聚合物的最高佔有軌道（HOMO）躍遷到最低空軌道（LUMO），留在HOMO中的空位通常稱為「空穴」，這樣就形成了激子，通常激子由於庫侖力的作用，具有較大的束縛能而綁定在一起。對於入射到地面的太陽光譜從其能量分布來看，大約在700nm處能量是最強的，因而所使用的激活層材料其吸收光譜也應該儘量的接近太陽的輻照光譜，並且在700nm處達到最強的吸收，這樣有力於激活層材料對光的吸收和利用。但是從目前研究的聚合物材料來看，其吸收光譜均不能與太陽光譜很好的匹配。

　　1.2 激子擴散和電荷分離

　　通常情況下，光激發產生的激子要經過一定的路徑，傳輸到合適的位置才能進行解離。在傳輸過程中激子遷移的動力是擴散。當束縛的激子擴散到由半導體/金屬、有機層/有機層、有機層/無機層所形成的界面處可以完成激子的解離。但是激子的擴散長度是有限的，一般在10nm左右，距離界面10nm以外的激子是得不到解離的，對光電流沒有貢獻。當激子遷移到界面處，並在界面處解離成功才能形成自由的載流子（正、負電荷），自由的載流子在內建電勢或是外加電場力的作用下，會產生定向的運動，從而使兩種載流子分開。

　　1.3 電荷的傳輸和收集

　　電子在聚合物中的傳輸是以跳躍的方式進行的，遷移率比較低。如MEH-PPV（聚2-甲氧基－5-（2'-乙基－己氧基）－1,4-亞苯基亞乙烯基）的空穴遷移率是10-7cm2/V·S，聚噻吩的是10-5cm2/V·S，而在這兩種材料中電子的遷移率要遠低於空穴的遷移率。向兩個電極傳輸的正負電荷，最終會傳輸到電極處被各自的電極收集。因而電荷的收集效率也是影響光伏器件功率轉換效率的關鍵因素。主要影響電荷收集的因素是電極處的勢壘，再有就是激活層與電極界面的接觸情況。

　　2. 有機/

聚合物光伏器件結構

　　聚合物太陽能電池是有機太陽能電池研究的一個組成部分。圍繞提高有機太陽能電池效率的研究，在過去的幾年中取得了大量成果，從材料的選擇到器件結構的優化都進行了不同程度的改進。在器件設計方面有機太陽能電池出現了四種結構：單層器件、雙層或多層器件、複合層器件、層壓結構器件，圖2給出了這四種方式結構示意圖。採用這些器件結構的耳的在於通過提高有機分子材料中電荷分離和收集的效率來得到較高的電池轉換效率。

圖2 四種典型聚臺物太陽能電池的結構

　　3. 有機/聚合物光伏器件的材料

　　作為聚合物光伏器件的共軛材料必須具備這樣的功能：分子鏈中存在共軛體系並能通過部分離域的π和π』軌道完成光吸收和電荷傳輸過程；可溶性聚合物可通過溶液旋轉塗膜、刮塗成膜、絲網印刷、層壓旋轉塗膜或電化學等方法成膜。

　　目前常用於聚合物太陽能電池研究的聚合物材料主要包括聚噻吩（PTH）衍生物、聚苯乙炔（PPV）衍生物、聚苯胺（PANI）以及其它類聚合物材料。這類聚合物都具有大的π-共軛體系，存在較寬的π與π﹡能帶，可通過摻雜或化學分子修飾來調整材料的電導性，使帶隙降低，通常為2.0～2.2eV，可有效地吸收太陽光。例如MEH-PPV具有很強的吸收峰且吸收係數很高，在吸收峰最大值時200nm厚的聚合物薄膜就可吸收90%的入射光。在所有這類聚合物中，PTH和PPV的光電性能以及特有的分子構架使得其在聚合物太陽能研究中較為活躍。除了共軛聚合物外，富勒烯族材料由於具有良好的π共軛體系、高的電子親和能與離子活化能、大的可見光範圍消光係數以及光穩定性較強，因而在聚合物光伏電池研究中也頗為看好。碳納米管由於其獨特的納米性能也受到青睞。

　　具有多功能光電特性的聚合物太陽能電池材料應該通過分子設計將朝如下方向發展：

　　（1）具有可調的電、光特性，如：帶隙、電子親合能及傳輸特性；

　　（2）加工簡單，可製成大面積薄膜並厚度可控；

　　（3）與受體材料相溶性好，可製成內部微結構均一的複合體；

　　（4）材料及製備技術成本要低。

　　4. 聚合物太陽能電池的應用前景及發展方向

　　聚合物光電池經過一系列的改進之後，有望使用於一定的商業用途。由於性能參數接近於非晶矽光電池的水平，以及原料便宜、製造簡單的優勢，聚合物光電池已經可以應用於非晶矽光電池的所有應用領域。聚合物光電池在具體實際應用上，初期應用目標是民用電器如計算器、電子表、小型儀表及兒童玩具等的電源。這些應用所需光源強度多為室內照明光源強度：0.1～1mW/cm2。特別要指出的是由於這類光電池是全固體組成，將特別適用於即將興起的手提式個人數據處理器（PDA）、手機、行動電話、電子圖書及電子報紙的電源。

　　儘管聚合物光電池的研究取得了重大進展，獲得了較高的開路電壓，但聚合物光電池同目前應用領域佔主導地位的無機光電池相比，其主要問題仍然是光電能量轉換效率較低，較低的填充因子（Fill factor）及短路電流限制光電能量轉換效率。較低的光電流是由於較低的光吸收以及光電流產生和傳輸中的較大損耗造成的，而低的填充因子則是由於低的電荷傳輸和高的複合所致。因此目前各國研究人員的研究方向大多數集中在：

　　（1）改善光吸收，主要是使用具有近紅外或者紅外吸收的聚合物或染料；

　　（2）改善光電流的產生，使用具有高流動性的聚合物及高有序相的液晶材料；

　　（3）使用具有高遷移率的無機納米材料；

　　（4）器件製備過程的優化與穩定性的探索；

　　（5）對聚合物光伏器件物理理論及實驗技術的探索。

　　聚合物固體薄膜太陽能電池器件的優化工作可通過器件物理的進一步優化來實現：

　　（1）通過選擇合適的金屬電極使之達到歐姆接觸，從而有效地收集光生載流子：

　　（2）優化D/A的匹配，同時調整共軛聚合物的帶隙使之能更好地吸收太陽光：

　　（3）優化相分離複合材料的網絡形態來提高載流子的產生和傳輸效率，同時要求電荷載流子在複合體異質結的不同組分中吸收和遷移達到最大。

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