太陽能聚合物電池的原理及發(fā)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(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)或金屬半導(dǎo)體界面附近產(chǎn)生的光生伏打效應(yīng)（Photovoltaic）。光生伏打效應(yīng)是光激發(fā)產(chǎn)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(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。當光子入射到光敏材料時，光敏材料被激發(fā)產(chǎn)生電子和空穴對，在太陽能電池內(nèi)建電場的作用下分離和傳輸，然后被各自的電極收集。在電荷傳輸?shù)倪^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(dǎo)線連接起來，這樣在器件的內(nèi)部和外部就形成了電流。對于使用不同材料制備的太陽能電池，其電流產(chǎn)生過程是不同的。對于無機太陽能電池，光電流產(chǎn)生過程研究成熟，而有機半導(dǎo)體體系的光電流產(chǎn)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(nèi)容之一，在光電流的產(chǎn)生原理方面，很多是借鑒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(xiàn)介紹如下：

　　一般認為有機/聚合物太陽電池的光電轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)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大于材料的禁帶寬度Eg時，光子才能被材料吸收，激發(fā)電子從聚合物的最高占有軌道（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，通常激子由于庫侖力的作用，具有較大的束縛能而綁定在一起。對于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(yīng)該盡量的接近太陽的輻照光譜，并且在700nm處達到最強的吸收，這樣有力于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(fā)產(chǎn)生的激子要經(jīng)過一定的路徑，傳輸?shù)胶线m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(dǎo)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，并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(nèi)建電勢或是外加電場力的作用下，會產(chǎn)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于空穴的遷移率。向兩個電極傳輸?shù)恼撾姾?，最終會傳輸?shù)诫姌O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(zhuǎn)換效率的關(guān)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(jié)構(gòu)

　　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(jié)構(gòu)的優(yōu)化都進行了不同程度的改進。在器件設(shè)計方面有機太陽能電池出現(xiàn)了四種結(jié)構(gòu)：單層器件、雙層或多層器件、復(fù)合層器件、層壓結(jié)構(gòu)器件，圖2給出了這四種方式結(jié)構(gòu)示意圖。采用這些器件結(jié)構(gòu)的耳的在于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(zhuǎn)換效率。

圖2 四種典型聚臺物太陽能電池的結(jié)構(gòu)

　　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并能通過部分離域的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(zhuǎn)涂膜、刮涂成膜、絲網(wǎng)印刷、層壓旋轉(zhuǎn)涂膜或電化學(xué)等方法成膜。

　　目前常用于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(xué)分子修飾來調(diào)整材料的電導(dǎo)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系數(shù)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(gòu)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，富勒烯族材料由于具有良好的π共軛體系、高的電子親和能與離子活化能、大的可見光范圍消光系數(shù)以及光穩(wěn)定性較強，因而在聚合物光伏電池研究中也頗為看好。碳納米管由于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(yīng)該通過分子設(shè)計將朝如下方向發(fā)展：

　?。?）具有可調(diào)的電、光特性，如：帶隙、電子親合能及傳輸特性；

　　（2）加工簡單，可制成大面積薄膜并厚度可控；

　?。?）與受體材料相溶性好，可制成內(nèi)部微結(jié)構(gòu)均一的復(fù)合體；

　?。?）材料及制備技術(shù)成本要低。

　　4. 聚合物太陽能電池的應(yīng)用前景及發(fā)展方向

　　聚合物光電池經(jīng)過一系列的改進之后，有望使用于一定的商業(yè)用途。由于性能參數(shù)接近于非晶硅光電池的水平，以及原料便宜、制造簡單的優(yōu)勢，聚合物光電池已經(jīng)可以應(yīng)用于非晶硅光電池的所有應(yīng)用領(lǐng)域。聚合物光電池在具體實際應(yīng)用上，初期應(yīng)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(yīng)用所需光源強度多為室內(nèi)照明光源強度：0.1～1mW/cm2。特別要指出的是由于這類光電池是全固體組成，將特別適用于即將興起的手提式個人數(shù)據(jù)處理器（PDA）、手機、行動電話、電子圖書及電子報紙的電源。

　　盡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(yīng)用領(lǐng)域占主導(dǎo)地位的無機光電池相比，其主要問題仍然是光電能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率。較低的光電流是由于較低的光吸收以及光電流產(chǎn)生和傳輸中的較大損耗造成的，而低的填充因子則是由于低的電荷傳輸和高的復(fù)合所致。因此目前各國研究人員的研究方向大多數(shù)集中在：

　?。?）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；

　?。?）改善光電流的產(chǎn)生，使用具有高流動性的聚合物及高有序相的液晶材料；

　?。?）使用具有高遷移率的無機納米材料；

　　（4）器件制備過程的優(yōu)化與穩(wěn)定性的探索；

　　（5）對聚合物光伏器件物理理論及實驗技術(shù)的探索。

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

　　（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：

　?。?）優(yōu)化D/A的匹配，同時調(diào)整共軛聚合物的帶隙使之能更好地吸收太陽光：

　?。?）優(yōu)化相分離復(fù)合材料的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)來提高載流子的產(chǎn)生和傳輸效率，同時要求電荷載流子在復(fù)合體異質(zhì)結(jié)的不同組分中吸收和遷移達到最大。