有机光伏材料与器件研究的新进展

2012-04-27东营职业学院

电子世界 2012年2期

东营职业学院张霄

在当今全球能源高度紧张的背景下，由于高科技的快速发展，对太阳能发电领域的科技开发已经成为一个标志性起点，对光伏效应的太阳能电池的充分利用是当今高科技发展背景下清洁能源利用的根本目的，同时也是现代较热门的研究对象，原因在于传统无机材料的太阳能电池生产工序较为复杂，生产成本较高，设备较为昂贵，材料的选择不够便利，并且能量转换效率不理想等一系列原因，导致其发展受到了阻碍。

目前，光伏电池的发展方向主要有：进一步使太阳能电池性能得到改善、降低太阳能电池的制造成本，同时还要重视减少因大规模大批量的生产给环境带来的不利影响。近几年，由于导电聚合物的研究与开发，大大提高了开发低成本的有机聚合物光伏电池的可能性，有机光伏电池的主要具备有机化合物种类多样化，有机分子的化学结构较容易修饰，化合物的提纯与制备的加工工序较简便等主要优点，同时还较容易制造柔性器件、特别形状的期间以及大面积器件等，然而当前有机光伏太阳能电池与传统的无机太阳能电池相比，其光能与电能之间的转化能力还处于劣势，所以，其研究的重点是在于如何提升有机光伏电池的光电转换率。有机光伏太阳能电池与传统的无机碳杨能电池的工作原理较为相近，二者都是以半导体界面的光能福特效应为基础进行发电工作。

在当前的太阳能电池中，传统的无机太阳能电池在理论及研究方面发展较为成熟，然而有机半导体光伏太阳能电池依然处在理论构思和研究过程当中。

一、有机光伏材料的介绍

有机光伏材料与无机材料的基本区别在于有机光伏材料中的光生激子之间具有强烈的束缚作用，一般都是紧密的束缚在一起，通常不会出现自动分离而形成单独的电荷；其电荷是通过跳跃的方式在规定区域内进行分子传输工作，并非带内传输，因而其迁移率较低；相对于太阳光光谱来说，对于光的波长吸收范围较为狭窄，但其吸收系数很高，100纳米的薄膜就可以收集到较强的光密度；有机材料一般在有水条件下与有氧条件下处于不稳定状态；对于其本身是一维半导体的情况来说，其本身的电能与光性都各自具有较高的各向区别，这种特性可以为器件的研究设计带来很大的利用价值。

分子链中能够通过部分离域的不同轨道来完成光能吸收和电荷传输等过程，同时分子链中还存在共轭体系是有机光伏材料器件的激活材料所必须具有的功能。有机光伏材料还可以按照相应的机械性能与加工性能分为可溶材料、不溶材料、为荣材料以及液晶材料。其中一般包括小分子、低聚物分子、高聚物分子、液晶分子等。能够吸收可见光线的低聚物或者单体物质，称之为发色团，在此基础上，根据其本身的可溶性分为染料和颜料，一般可溶性较强或具备一定溶解性的被称为染料，没有溶解性或具备较弱溶解性的称为颜料。在通常情况下，激活层材料所具备的溶解性能决定着有机光伏材料电池的制作工艺。在制作过程中，对于可溶性较强的染料以及可溶聚合物应采用溶液旋转涂抹的方法或刮涂成膜等方法，对于不溶或难溶的颜料分子主要采用真空积沉法成膜，晶体颜料分子则应使用物理蒸发成膜的方式来对其进行加工，本文重点概述有机光伏材料中的高分子材料与低分子材料。当今主要用于有机光伏器件研究的材料有噻吩（PTH）衍生物、聚对苯（PPP）衍生物、聚苯乙炔（PPV）衍生物、聚苯胺（PANI）等一系列高分子材料，这些聚合物基本具有较大的共轭系统，可以利用相应的掺杂或者化学分子修饰来使材料的导电性能得到调节。

图1 有机光伏电池的基本工作原理

由于液晶分子具备很高的电子荷载迁移率同时具有较长的激子扩散长度，因而在近几年的有机光伏材料太阳能电池研究中得到重视，液晶分子材料会在一定的温度范围内介于固态与液态之间，在这种状态之下，其分子更加便于重新排列或自行组合，同时还能够充分发挥自身的机械性能，所以晶体分子对光伏电池的研究与应用方面发挥了更加有利的作用。

二、有机光伏电池的基本工作原理

有机光伏电池的基本工作原理相近于无机太阳能电池原理，其基本原理如下：

1、有机光伏器件在经过一定的光照后，会将具有能量的光子吸收到半导体层内，从而激发电子从价带到导带之间的移动，同时在价带区域留出空隙，这种空隙通常被称为“空穴”，这样的空穴中带有正电荷。

2、传统半导体内的被激发电子和通过上述过程所形成的空穴之间会出现自由的反电极方向运动，同时在导电聚合物体中所受入的射光子激发而形成的电子与空穴之间会产生相互束缚作用，从而形成激子。

3、通常情况下，这些电子与空穴的形成都是有光子的激发作用来完成的，如若在电场之内或在电场的界面位置上，这些电子与空穴所形成的组合将会产生分离活动，形成单独的电子与空穴，这也就是人们所说的带电荷载流子，它们的互相迁移运动就形成了光能电流，如图1所示。

然而有机材料的机子奋力活动与移动现象并不是全都有效的，因此，为了时光能更加有效地向电能转变，务必要具备以下几个具体条件：首先，在有机光伏材料太阳能电池中的激活区域内的采光条件必须要好，光能吸收量一定要大；其次，在对光子进行吸收后所产生的自由何在电流子必须要有足够的数目，从而使内部电场的存在表现得更加清晰；最后，在其中所产生的荷载电流子要尽可能的降低自身损耗量来向外部电路进行电能输送工作，从而使光能与电能的转换率有所提高。

然而在效果上并没有达到预定要求，事实上的光能向电能转换过程中依然有大量损耗现象的存在，是有机光伏材料太阳能电池的实际使用效率变得很低。在光能向电能转换的过程中会受到不同因素的影响，从而大量损耗，在光吸收的过程中，光能的折射与反射作用会使光能有大量的损耗，从而影响了光电转换效率，在激子产生的过程当中，激子复合也会导致能量流失，另外在光转换过程中的激子扩散、电荷分离、电荷传输、电荷收集等各个环节中也存在不同的能量流失，直接导致了有机光伏材料太阳能电池使用率降低。

三、有机光伏材料的未来发展趋势与研究方向

通过人们近几年对有机光伏材料进行研究与开发，并对其技术不断深入创新后，在有机光伏材料太阳能电池的研究方面取得了相当丰硕的成果，并获得了开路高电压的发电方法，短路电流的发生几率以及填充因子影响率也比传统的无机太阳能电池低很多，较低光电流的形成原因是由于光能吸收率不够所造成的，除此之外，光电流较低的形成原因还由于电流在产生的过程中电阻对其本身的影响所造成的额外损耗，然而填充因子的形成是由于地点和在传输过程中出现的高复合影响所造成的。因此，应重点研究一下几个关键点：

1、提高光能吸收率，并相应的改善光能吸收环境。在此过程中一般采取具有红外光能吸收的聚合材料以及共轭结晶染料，同时还要改善设备的受光条件，要保证设备安置在阳光充足的地点，使其光能接受率有所提高。

2、充分利用高有序的液晶材料和具备较高流动性能的聚合材料，从而使光电流产生条件得到改善，从而有利于降低光电能的损耗量。

3、加强器件设备的优化性能与稳定性能，器件性能的提高无非是降低电能损耗量的有效途径之一。

4、加强对有机光伏材料性能的了解，同时了解相关器件的使用性能，只有掌握了有机光伏材料的性能才会使该材料能够更好地发挥其应有的作用。

与此同时，高效有机光伏材料器件还应该具备光诱导的电荷产生与分离或产生的电荷及时传输到电极等因素，并需要在同一种材料中同时完成这两个不同的过程，决定邮局光伏器件效率的基本因素在于怎样才能有效的完成这一过程。

多功能的有机光伏材料在未来发展中应通过分子设计朝着电光特性的可调节性、加工简单并能支撑较大面积的薄膜可控制度的方向发展，同时还要求有机光伏材料能够与其他材料进行良好的融合，并保证材料成本与技术成本较低。

在器件方面应采取以下措施来进行期间优化阶段：首先，要加强金属电极的优化，使其达到“欧姆接触”，从而能够更有效的收集光能，其次，在对D/A对匹配进行优化的同时还要加强对共轭聚合物带隙的调整，以便于更好的接收光能，最后，还要注重优化相分离复合材料的网络微结构，以便于其载流子的产生效率与传送效率的提高，与此同时还需要求点和载流子在复合体中的不同分组吸收与移动达到最大数值，经过上述对器件方面的优化措施，使有机光伏材料的光电转换率得到有效提升。