有机太阳能电池的优势与前景-PoweredBySiteEngine.pdf

?‐?1?‐? 有机太阳能电池的优势与前景 周宇翔 王昊禺 胡剑书 赵秋辰 (北京大学化学与分子工程学院 09 级，北京) 摘要 简要分析了有机太阳能电池的机理，通过对比传统的硅基太阳能电池，分析了有机太 阳能电池的优势，并对有机太阳能电池的前景作了展望。 关键词 有机太阳能电池；硅基太阳能电池；电光转化率；能源回收年数；柔性材料 0．引言 能源是为人类的一切活动提供不同种类能量的资源，是人类社会最重要的基础资源之 一，可以说是与人类的现在与未来密不可分的一种物质，也因此备受人们关注。 能源按消耗后是否产生污染分为污染型能源（如化石燃料等）与清洁型能源（如水能、 风能、太阳能等）。在和谐社会与可持续发展的理念下，清洁型能源自然成为了当前各界关 注的重点。清洁型能源中的太阳能更是以其覆盖面广，环境限制低，又无需运输等优点 而成为人们关注的焦点。 太阳能的开发与利用主要分为热能利用以及光能利用：一方面人们通过利用阳光加热水 产生蒸汽等方式以利用其内能，另一方面人们用太阳能电池将太阳能转化为电能来进行利 用。综合比较，因电能更易储存和输送，将太阳能转化为电能更有利于人们对太阳能的综合 利用。因此太阳能电池在近几十年中不仅是人们重点关注的问题，也是科学家最感兴趣的话 题之一。 目前，从太阳能电池的市场的结构来看，硅材料的太阳能电池是主流，硅基太阳能电池 占有市场 80% 以上 [1] ，而有机太阳能电池只占其中很小的一部分。但是，有机太阳能电池具 有一定的优势与前景，作为新近的研究重点同样受到了关注，所以本文将就各类的太阳能电 池的结构、光电效率、生产技术成本、市场前景等方面做比较，综合讨论有机太阳能电池的 优缺点。 1．太阳能电池原理 太阳能电池是一种可以将光能转化为电能的半导体装置，基于法国物理学家 Edmund Becquerel 在 1839 年发现的光伏效应 （Photovoltaic Effect）制成 [2] 。例如 P-N 异质结 结构，当光照射在 n 型半导体与 p 型半导体之间的复合结构上时，n 型半导体中的电子作为 主要载流子离开原来的位置，产生空穴，而 P-N 复合结构的界面处将产生电场。将电子与 空穴分开（如图 1 所示）从而产生光电压而形成电流，其他的结构同样可以产生电场而将电 子与空穴分离。这就是太阳能电池将光能转化为电能的基本原理。 图 1 P-N 复合结构的界面产生电场示意图 ?‐?2?‐? 2．有机太阳能电池的结构与原理 2.1 有机太阳能电池的原理 有机太阳能电池以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，以光伏效应而产生电压形 成电流。主要的光敏性质的有机材料均具有共轭结构并且有导电性，如酞菁化合物、卟啉、 菁（cyanine）等。 2.2 有机太阳能电池的几种结构 有机太阳能电池按照半导体的材料可以分为单质结结构、P-N 异质结结构、染料敏化纳 米晶结构。 2.3 单质结结构 单质结结构是以 Schotty 势垒为基础原理而制作的有机太阳能电池。其结构为玻璃/金 属电极/染料/金属电极，利用了两个电极的功函不同，可以产生一个电场，电子从低功函的 金属电极传递到高功函电极从而产生光电流。由于电子—空穴均在同一种材料中传递，所以 其光电转化率比较低 [3] 。 2.4 P—N 异质结结构 P-N 异质结结构是指这种结构具有给体-受体（N 型半导体与 P 型半导体）的异质结结 构，结构如图。其中半导体的材料多为染料，如酞菁类化合物、北四甲醛亚胺类化合物 [4] ， 利用半导体层间的 D/A 界面以及电子—空穴分别在不同的材料中传递的特性，使分离效率 提高。Elias Stathatos 等人结合无机以及有机化合物的优点制得的太阳能电池光电转化率 在 5%~6% [5] 。 2.5 NPC(nanocristaline photovoltaic cell)染料敏化纳米晶 染料敏化太阳能电池（DSSC）主要是指以染料敏化的多空纳米结构 TiO2 薄膜伟光阳极 的一类太阳能电池。它是仿生植物叶绿素光合作用原理的太阳能电池。而 NPC 太阳能电池可 选用适当的氧化还原电解质从而使光电效率提高，一般可稳定于 10%，并且纳米晶 TiO2制备 简便，成本低廉，寿命可观，具有不错的市场前景。 3．各类太阳能电池效率及对比及优势 鉴于现下的太阳能电池市场的组成主要为硅基太阳能电池，其余的以有机太阳能电池为 主，所以我们再次对这两种电池从光电转化率、成本、单独制作、使用性能方面进行比较。 3.1 光电转化率的对比 从前文我们可以看到，有机太阳能电池中的 DSSC 以及 NPC 结构的太阳能电池的光电转 化率