首页、(耀世注册)、首页透 视 INSIGHT 有机太阳能电池简介及 产业化前景 ■ 文/徐新军 李立东 北京科技大学材料科学与工程学院 一、有机太阳能电池简介 具有广阔的发展和应用前景，已成为 电池原型器件的结构是由透明阳极 随着人类使用的主要能源—— 当今新材料和新能源领域最富活力和 层、金属阴极层及所夹的有机半导体 [1] 化石燃料（包括煤、石油、天然气等）的 生机的研究前沿之一 。 层所组成。所用的基底材料通常为玻 不断耗尽及环境污染的日趋严重，研 1.有机太阳能电池的工作原理 璃或聚对苯二甲酸类塑料（如PET）； 究者的目光开始转向清洁的可再生能 如图1所示，典型的有机太阳能 作为透明阳极层的材料可以是铟锡 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， 图1 典型的有机太阳能电池原型器件的结构示意图 42 Advanced Materials Industry INSIGHT 透 视 氧化物（ITO）、导电聚合物（如导电聚 形式存在，激子通过扩散到达电子给 来充当阳极材料。导电聚合物是作为 苯胺、导电聚乙撑二氧噻吩）、碳纳米 体/受体界面，在那里将电子转移到受 阳极材料的一种选择，其优点是成膜 管膜、石墨烯等，其厚度通常为几十纳 体的LUMO能级上，空穴则留在电子 方便，可通过旋涂、印刷、喷涂等方法成 米 ；作为金属阴极层的材料通常为具 给体的HOMO能级上，从而实现光生 膜，缺点是其导电率一般较低。相比而 有较低功函数的金属（如钙、铝、银）； 电荷分离。在电池内建电势的作用下， 言，碳纳米管和石墨烯则具有很好的导 作为活性层的有机半导体材料一般包 被解离的空穴沿着电子给体形成的通 电性，而且其在可见光区和红外光区的 括电子给体材料和电子受体材料，其 道传输到阳极，而电子则沿着电子受体 透过率均很高，是制作有机太阳能电池 在可见光区具有强的吸收，厚度通常 形成的通道传输到阴极，电子和空穴在 阳极层的理想材料，但缺点是实现其大 为100～200nm。 被相应的电极收集以后产生电能[2]。图 面积成膜的难度较大。可喜的是，最近 在太阳光照条件下，有机半导体吸 2给出了有机太阳能电池进行光电转 已有文献报道可实现石墨烯薄膜的大 收具有一定能量的光子后就会激发一 换的基本过程。 面积辊对辊式（roll-to-roll）制备[3]，这 个电子从最高占据分子轨道（HOMO） 2.有机太阳能电池的制备工艺 为以后有机太阳能电池的大规模应用 跃迁到最低未占分子轨道（LUMO），而 有机太阳能电池中通常所用的铟 打下了基础。 在HOMO处留出空位，这一空位被称 锡氧化物（ITO）阳极是通过溅射的方 有机太阳能电池中的活性材料包 为空穴，空穴带有正电荷。受入射光子 法制备的，但由于地球上的铟储量相对 括有机小分子和聚合物这2种材料。 激发而形成的电子和空穴会以具有较 较少，不利于日后有机太阳能电池的大 聚合物材料因其成膜工艺简便，因而 强束缚能的电子-空穴对（即激子）的 规模使用，研究者希望使用别的替代物 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 新材料产业 NO.11 2011 43 透 视 INSIGHT 通过旋涂或喷墨打印的方法制备聚合 3.有机太阳能电池性能的评价指标 二、提高有机太阳能电池性能 物半导体薄膜，从而形成聚合物太阳 表征有机太阳能电池性能的参数 的途径 能电池器件，但是如果应用于大规模 主要有以下5个 ： 有机太阳能电池性能的提高，一 生产的线种方法就不太适合了。 （1） 开路电压（Voc）：在光照条件 方面可以通过设计合成具有合适的能 因为旋涂的方法不适合制备大面积的 下，太阳能电池正负极断路时的电压， 级结构、窄的能隙、良好的载流子迁移 器件，而喷墨打印的方法则生产速率 即太阳能电池的最大输出电压，单位V。 率的有机半导体材料来实现 ；另一方 较低。聚合物薄膜的roll-to-roll制备 （2） 短路电流密度（Jsc）：在光照 面还可通过合理设计太阳能电池的器 为聚合物薄膜电池的大批量快速制备 条件下，太阳能电池正负极短路时的 件结构来实现，本文将着重介绍后者。 提供了一条有效途径[4-5]，采用该方法 电流密度，即太阳能电池的最大输出 1.利用纳米线 在柔性基底上制备出的聚合物半导体 电流密度，单位mA/cm 。 分离与传输 薄膜如图3所示。 （3） 填充因子（FF）：定义为FF 由于在有机半导体材料中经光激 有机聚合物的金属阴极层在实验 发产生的激子的寿命通常很短，其扩 室中通常是通过真空热蒸镀的方法制 式中，Pmax为电池单位面积上 散长度一般为10~20nm，所以在有机 2 ），Jsc和 备的，但这种方法同样不适合于有机 的最大输出功率（单位W/cm 太阳能电池中有许多激子往往未扩散 太阳能电池的大规模快速生产要求。 Voc分别为短路电流密度和开路电压。 到给受体界面处就已经淬灭了。另外， 为此，研究者把丝网印刷技术引入到 （4） 能量转化效率（PCE）：表明 有机太阳能电池经常采用的本体异质 有机太阳能电池阴极的制备中以解决 入射光的能量有多少转化为有效地电 结结构会在活性层的局部区域无法形 此问题。通常，阴极材料采用可印刷的 能，它的定义为电池的最大输出功率 成连通网络，将严重阻碍载流子的传 阴极浆料，如导电银胶，丝网则由精细 与入射光强度之比。 输。为了改善这些情况，研究者希望在 编织的多孔织物或在金属板架上伸展 （5）外量子效率（EQE）：又称为 有机半导体活性层中构建出一些纳米 的金属网孔构成，丝网顶端有一块模 载流子收集效率或入射光子-电子转 结构，一方面使电子给体和受体有充 板封住了阴极浆料不应穿过的网孔区 化效率（IPCE），它是指在某一单色波 分的接触界面，尽量避免激子的过早 域。丝网被放置在基板顶端，精确对位 长下入射光子所产生的能够发送到外 淬灭 ；另一方面可以使激子电荷分离 后固定，然后采用一块橡皮刀片在丝 电路的电子的比例，定义为 产生的载流子能够沿各自的通道顺利 网的网孔通透区域刮阴极浆料，然后 EQE ，式中P light为入 到达相应的电极。图4为所设想的在 吊离丝网，形成条状阴极，从而得到有 射光的波长，Plight为单位面积上入射 有机半导体活性层中形成纳米结构的 机太阳能电池的阴极。 单色光的功率，Jsc为短路电流密度。 太阳能电池器件示意图，利用这种结 图片来源 ：Konarka公司 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 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 图4 具有纳米线阵列结构的有机太阳能电池 44 Advanced Materials Industry INSIGHT 透 视 构可以有效实现激子的电荷分离及载 机太阳能电池的光电转换效率得到进 虽然目前有机太阳能电池的光电 流子的良好传输，有望制备出高效的 一步提高。据文献报道，这种结构的有 转换效率较无机太阳能电池还有不小 有机太阳能电池器件[1-2]。 机太阳能电池在光电转换效率方面可 的差距，但是大多数该领域的研究人 [8-9] 2.使用堆叠结构改善有机太阳能 以得到近2倍的改善 。 员认为通过合成性能优良的新型有机 电池的光电转换效率 半导体材料，以及对器件结构进行改 现有的制备有机太阳能电池的 三、有机太阳能电池的产业化 善，有机太阳能电池的光电转化效率 有机半导体材料都不能对太阳光谱的 前景 将很快达到 10%，而且有望在不久的 整个谱带全部产生响应，只能吸收太 近几年，世界各国在有机太阳能 将来达到15%。由此可见，有机太阳能 阳光谱某一波长范围内的光，这就降 电池的研究方面都予以了极大支持， 电池就效率而言很快便能达到产业化 低了太阳光的利用率，导致光电转换 因而其得到了迅猛的发展。2010年初， 应用的要求，但是研究者普遍关心的 效率较低。为了改善这一情况，有研究 国际上报道的有机太阳能电池的最高 还有电池寿命这一问题。据美国斯坦 者设计出了堆叠结构器件，这种器件 光电转化效率为7.4% [10]，但是仅短短 福大学的McGehee教授报道，他们用 是把能响应不同太阳光谱带的2个太 1年多的时间，到2011年4月份这一数 实验加速装置测试以N-9-十七烷 阳能电池单元通过一个连接层联系起 值已经提升至 9.2% [11]。表1中给出了 基-2,7-咔 唑 － 5,5-(4,7-二-2- 来，从而使整合后的电池器件能对太 近1年来国际上报道的有机太阳能电 噻吩基-2,1,3-苯并噻二唑)交替 阳光谱有更广范围的响应，提高太阳 池光电转化效率的发展进程。 共聚物（PCDTBT）(分子结构如图 7 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 注 ：其中电池单元1和电池单元2为不同的 构，但如果把有机太阳能电池制备成 有机半导体活性层，它们对太阳光谱有不 V字型折叠结构，则单位投影面积内 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 注 ：棕色和蓝色分别代表对太阳光谱有不 对太阳光的吸收则会大幅度增加。这 的有机半导体材料对可见光有响应） 同的响应范围的2种电池单元 一方面归因于有效面积的增加；另一 图5 具有堆叠结构的有机太阳能电池的 图6 具有V字型折叠结构的有机太阳能 方面则因为太阳光在V字型结构中经 结构示意图 电池器件 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 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 为采用具有V字型折叠结构的有机太 公司（机构）名称 日期 效率 阳能电池的结构示意图，采用这种结 a 芝加哥大学(The University of Chicago) 2010年1月 7.4% 构的器件的另一个优点是适合制备交 朔荣有机光电科技公司（Solarmer Energy Inc.） 2010年7月 8.13%b 替型堆叠器件，即在V字型的一个坡 赫里阿泰克公司（Heliatek） 2010年10月 8.30%b 面上构筑一种电池单元（电池单元1）， 科纳卡公司（Konarka） 2010年11月 8.30%b 三菱化学（Mitsubishi Chemical） 2011年4月 9.2%b 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 注 ：a数据来源于参考文献[10]，b数据来源于参考文献[11]。 新材料产业 NO.11 2011 45 透 视 INSIGHT 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 图7 有机太阳能电池材料PCDTBT的分子结构式 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 可再生能源的日益减少，太阳能电池作 艺制造出来。有机太阳能电池的自身特 前景。 为一种有效的清洁能源实际上需要每 点完全可以满足上述要求，而且以其目 目前，全世界每年约有 10GW 年以太瓦（TW）规模来进行生产才能 前的发展速度我们有理由相信有机太 左右的太阳能电池被制造并投入使 够满足社会的需求。而要实现这一目 阳能电池必将具有美好的产业化前景， 用，然而目前全球对能源的需求量 标，需要设法使太阳能电池依靠低成 为人类生活带来巨大的变化。 为13TW[12]。随着煤、石油、天然气等不 本、能稳定供应的材料及简捷的生产工 10.3969/j.issn.1008-892X.2011.11.011 参考文献 [1] Günes S,Neugebauer H，jugated Polymer-Based Organic Solar Cells[J].Chem.Rev.,2007,107（4）： 1324-1338. 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