摘要：隨著人類社會的發(fā)展，能源消耗日益增加，通過研究并應用新能源來緩解能源危機被世界各國所重視，其中太陽能被廣泛地研究。本文以眾多太陽能應用中重要的有機太陽能電池這一應用作為研究對象，通過了解有機太陽能電池的結構、材料、工作原理及性能，講述該應用的發(fā)展現(xiàn)狀，并進一步希望有機太陽能電池可以在未來得到廣泛的應用。
關鍵詞：有機太陽能電池;分類;工作原理;性能
中圖分類號：TM914.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2020）03-0254-03
《電網(wǎng)與清潔能源》雜志（原名《電網(wǎng)與水力發(fā)電進展》，1985年創(chuàng)刊）是由西北電網(wǎng)有限公司主管，西北電網(wǎng)有限公司、西安理工大學水電土木建筑研究設計院主辦，國內(nèi)外公開發(fā)行的科技期刊。ISSN 1674-3814 CN 61-1474/TK，月刊。
0 引言
進入二十一世紀，世界的發(fā)展需要各種能源進行支撐。世界上的常規(guī)能源有：煤、石油、天然氣……但是這些資源的儲量有限，而且有一些自然資源已經(jīng)瀕臨枯竭，不能滿足人類當前的發(fā)展需要。各種傳統(tǒng)的化石燃料在使用的過程中會大量產(chǎn)生溫室氣體和有毒氣體，如二氧化碳、二氧化氮、二氧化硫等，這些氣體的存在會導致全球氣候變暖、酸雨等自然災害頻發(fā)，生態(tài)環(huán)境惡化，嚴重危害人類生活。針對這個現(xiàn)狀，各個國家都開始重視可持續(xù)性發(fā)展，并開始致力于發(fā)展可再生能源，比如，太陽能、風能、水能、潮汐能等。在如此眾多的可再生能源中，太陽能可以算是應用最廣的可再生能源。太陽能取之不盡，用之不竭的特點，讓它在眾多能源中脫穎而出，最重要的是，太陽能在使用過程中不會對環(huán)境造成污染。若將地球每年接收的太陽能中的小部分轉化為電能，數(shù)量上也是非常可觀的。因此太陽能的開發(fā)和利用引起了各國的重視，其中太陽能電池由于可以實現(xiàn)將太陽能轉換成電能，并為人所用而備受關注。
太陽能電池根據(jù)其生產(chǎn)原材料進行分類，可以分成兩種：無機太陽能電池和有機太陽能電池。其中無機太陽能電池的研究起步較早并較為廣泛，但由于制作無機太陽能電池的材料成本較高，生產(chǎn)工藝也十分繁瑣，不利于其進一步的大規(guī)模使用。而有機太陽能電池無污染，質量輕，成本低，工藝簡單，原材料的來源廣，容易加工、大面積成膜，優(yōu)勢更加突出[1]。目前對于有機太陽能電池的研究已有了一定的研究成果[2]。因此，本文將主要對有機太陽能電池進行深入了解，對有機太陽能電池的材料、內(nèi)部結構、工作原理、性能和發(fā)展前景進行分析，希望有機太陽能電池可以在未來得到廣泛的應用。
1 有機太陽能電池的分類
有機太陽能電池是一種可以直接或間接將太陽能轉化為電能的器件，其中有機半導體材料組成了電池的光電轉換材料。按照有機原材料種類的不同，有機太陽能電池可以被分成兩類，一類是有機小分子太陽能電池，另一種是有機聚合物太陽能電池。根據(jù)電池內(nèi)部結構的不同進行分類，可以分為單層結構、異質結結構和疊層結構。
1.1 材料分類
1.1.1 小分子材料
常見的有機小分子半導體材料有稠環(huán)芳烴類化合物、酞菁類化合物、卟啉類化合物、具有π—π共軛結構的低聚物等。由于小分子可以相對容易地得到單晶態(tài)的薄膜，有利于對電荷的傳輸機制進行研究。同時分子具有豐富的光電性質，可以應用在光電器件中。但由于器件的性能會受到小分子薄膜形態(tài)的影響，所以對于有機小分子半導體材料在實際器件中的應用，目前面臨的最重要的問題是如何控制薄膜形貌。
1.1.2 有機聚合物材料
除了小分子，聚合物也可以作為有機半導體材料的原材料。研究較多的有機聚合物材料是聚噻吩及其衍生物。與小分子化合物相比，共軛聚合物由于具有π—π共軛體系，在一維維度上可以進行延伸，有利于產(chǎn)生激子和點電荷載流子。同時通過設計聚合物的結構可以實現(xiàn)對其光吸收能力的控制。并且，聚合物具有較好的成膜性，便于后面進一步的加工和應用。
1.2 結構分類
1.2.1 單層結構
單層結構是有機太陽能電池類型中最常見的，也是最早研究并成功使用的一種[3]。單層結構是將單層的有機半導體材料嵌入電池的兩極之間。肖特基型電池就是一種單層結構電池，但這種的電池非常容易發(fā)生能量損失，光電轉換效率很低。
1.2.2 異質結結構
異質結是指由不同半導體材料之間不同層次或區(qū)域之間形成的二維界面。其中異質結型有機太陽能電池利用的是有機太陽能電池材料之間形成的異質結。異質結型有機太陽能電池主要有雙層異質結、擴散雙層異質結、混合異質結、p—n異質結、體異質結有機太陽能電池[4]。其中，體異質結結構是目前研究較為廣泛。
1.2.3 疊層結構
疊層結構有兩種，分別是串聯(lián)疊層和并聯(lián)疊層。串聯(lián)疊層電池是通過串聯(lián)兩個或者多個子電池，讓它們疊加在一起形成一個電池。普通的有機材料對于太陽光譜不能實現(xiàn)全波段吸收。但是使用了疊層結構之后，每一個子電池的吸收波段可以進行加和，從而達到對太陽光譜的全覆蓋吸收。并聯(lián)疊層電池與串聯(lián)疊層電池差別不大，區(qū)別是并聯(lián)疊層電池是將兩個或者多個子電池并聯(lián)疊加到一起形成電池。相對于串聯(lián)疊層電池的制作，并聯(lián)疊層電池的制作難度要更高。
2 有機太陽能電池的工作原理和性能參數(shù)
2.1 工作原理
有機太陽能電池的工作原理是以“光伏效應”為基礎，可以解釋為：有機半導體材料在吸收光能量之后會在內(nèi)部產(chǎn)生電子—空穴對，在內(nèi)建電場的作用下，進一步發(fā)生分離并被相應電極吸收，產(chǎn)生電動勢。
2.2 性能參數(shù)
評價有機太陽能電池的性能參數(shù)主要有五個，分別是：開路電壓、短路電流、填充因子、光電轉換效率和能量轉換效率。
填充因子FF是指光電池的最大功率與當光電池具有最大功率時的電壓和電流的乘積的比值。填充因子FF代表的是電池對外輸出最大輸出功率的能力，是評價太陽能電池質量的重要光電參數(shù)之一[6]。
外量子效率（EQE）也稱為光電轉換效率，表示當注入一個光子時，光電流所能提取得到的最多電子數(shù)，定義為提取得到的電子數(shù)與注入的光子數(shù)的比值。
能量轉換效率是指光電池的最大輸出功率與光電池單位面積上入射的光能量的比值。
其中，能量轉換效率是評價有機太陽能電池性能的主要參數(shù)。能量轉換效率越高的有機太陽能電池就說明在相同光照條件下轉換出的電能越多，性價比更高[7]。
3 有機太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀
目前，在太陽能電池的商業(yè)化市場中，無機晶體硅太陽能電池仍然處于主導地位，占有極大部分的市場份額。但是，無機晶體硅太陽能電池存在著以下幾個問題：加工工藝非常復雜;對原材料要求十分苛刻;不容易進行大規(guī)模的柔性加工;同時在生產(chǎn)過程中所需的一些材料具有毒性。因此可知，成本和資源分布限制其進行大規(guī)模的生產(chǎn)，而進一步提高太陽能電池的性能，降低成本，減少對環(huán)境的污染是未來無機晶體硅太陽能電池發(fā)展的主要方向。相對于無機太陽能電池，有機太陽能電池有以下優(yōu)點：①有機太陽能電池的材料來源比無機太陽能電池的來源更加廣泛，廉價，環(huán)境穩(wěn)定性更高，光伏效應更好，材料質量輕，有機化合物結構可以設計，制備、提純、加工性能好。②有機太陽能電池的加工制備工藝更加簡單，生產(chǎn)過程中的能耗比無機材料更低，生產(chǎn)過程中對環(huán)境影響較小。③由于有機太陽能電池的產(chǎn)品都是半透明的，所以它可以用于裝飾和應用，并且色彩可以選擇。
在有機太陽能電池的太陽能轉化為電能的過程中，并不是所有的激子分離和遷移都是有效的。如果想讓光能更為有效地轉化為電能，需要做到以下幾點：首先，有機半導體材料的吸收光譜要盡量實現(xiàn)對太陽光的全覆蓋;第二，吸收光子后要可以產(chǎn)生足夠多的自由載流子，第三，需要載流子抵達外電路之前盡量降低損耗。因此限制有機太陽能電池發(fā)展的劣勢主要集中在以下幾點：①有機材料分子之間的相互作用力很弱。②有機半導體材料吸收光譜的波段不寬，對太陽光的覆蓋范圍不夠，使其光電轉換效率低。③有機半導體在吸收光后會產(chǎn)生激子，但激子的擴散距離很短。并且激子在一般的有機材料中傳輸速度不快，在通過半導體薄膜時會因為激子復合造成損失，使得有機太陽能電池的實際轉化效率很低[8]。④在有氧和水存在時，有機太陽能電池的有機半導體材料是很不穩(wěn)定的，這使得有機太陽能電池面臨著低效率、短壽命這兩個關鍵問題。
目前的有機太陽能電池仍然處于研究階段，并不能投入使用。但是在各國研究人員的努力下，有機太陽能電池的各個問題正在得到逐一改善。目前，已逐步發(fā)現(xiàn)一些有機太陽能電池可以應用的領域，比如：通信衛(wèi)星的供電。相比傳統(tǒng)無機硅電池，有機太陽能電池具有質量輕、厚度薄的特點，并且同體積展開后，有機太陽能電池可以擁有更大的受光面積，進而有效地提高光電利用率。同時，在電腦、無線鼠標、計算器等小型電子設備上也可以使用，縮小電子產(chǎn)品的體積。因為有機太陽能電池生產(chǎn)出來后是半透明的，而且電池顏色也可以更改，所以可以作為辦公樓的外墻或者在房頂鋪設有機太陽能電池，便于通過吸收太陽能進行發(fā)電供樓內(nèi)使用[9]。
4 總結和展望
本文從有機太陽能電池的三個方面進行講述，說明了有機太陽能電池的結構、性能和應用前景。和無機太陽能電池相比，有機太陽能電池的原材料來源更為廣泛，制備工藝更為簡單，對環(huán)境污染較小，應用前景也更加廣闊。有機太陽能電池越來越受到人們的關注，但是相對于無機太陽能電池來說，有機太陽能電池的光電轉換效率依然較低，非常容易發(fā)生能量損失，而且不穩(wěn)定，壽命也短，因此想要大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)并投入使用還有很長的一段路要走。但是目前世界各國都在致力于發(fā)展有機太陽能電池，并取得了一定的成果。相信在未來，當有機太陽能電池的所有難題都被解決，走進人們生活中的時候，它將會被廣泛地應用于各個領域，為解決能源危機提供堅實的力量。
參考文獻：
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[3]許紅波.有機太陽能電池材料研究新進展[J].科技創(chuàng)新與應用，2016，9：86.
[4]張超智，李世娟，胡鵬，沈丹，張驍，孫曉飛.異質結型有機太陽能電池材料的最新研究進展[J].南京大學學報（自然科學）， 2014，50：135.
[5]張劍，楊秀程，馮曉東.有機太陽能電池結構研究進展[J].電子元件與材料，2012，31：75.
[6]楊學良，鄧金祥.有機太陽能電池的研究進展[J].物理， 2012，41：669.
[7]Granstrom M.， Petritsch K.， Arias A. C.， Lux A.， Andersson M. R.， Friend R. H.， Laminated fabrication of polymeric photovoltaic diodes. Nature， 1998， 395： 257.
[8]侯曉遠.有機太陽能電池簡介[J].光學與光電技術，2017，15：1.
[9]劉跨文.淺談有機太陽能電池技術領域的應用[J].科技展望， 2016，26：156.
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文章名稱：有機太陽能電池的發(fā)展概論
