有机太阳能电池中无机材料的应用研究

张琨

摘要：随着国内外对清洁能源太阳能的不断利用研究，其中有机太阳能电池的利用，能够带给人类带来更多的能源。在有机太阳能电池中，其中需要运用到有机半导体材料或者无机材料作为缓冲层，由于无机材料的应用效果更加明显，并且购买成本更加低廉，于是将其运用于有机太阳能电池中能够有更大的效益。本文将主要研究有机太阳能电池中无机材料的应用。首先对有机太阳能电池的工作原理和结构进行描述，然后再具体分析无机材料三个方面的应用，分别为在阳极缓冲层的应用、在活性层中的应用和作为阴极缓冲材料的应用。无机材料的类型比较多，不同类型的无机材料应用到有机太阳能电池中会有不同的应用效果，所以文中会对不同无机材料的作用进行分析。

关键词：有机太阳能电池;无机材料;应用

中图分类号：TQ050.4+21 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）12-0065-04

当今世界，能源匮乏问题无处不在，对各国的经济发展都起到了一定的制约作用，而且在一定程度上也给环境造成了影响，使得各国都开始对新能源进行开发。其中太阳能是一种取之不尽的新型能源，对该能源进行利用，可以缓解化石能源缺乏的问题。当前，对于太阳能电池的研究有了一定程度的突破，对各行各业的发展将会有一些良好的影响。有机太阳能电池主要有三个部分组成，分别为正电极、负电极和光活性层。在有机太阳能电池中其对太阳能的转化效率与缓冲层有着很大的联系，所以为了提高太阳能的转化效率，需要对缓冲层进行深刻的研究。缓冲层的材料是对缓冲层的作用起到直接的影响，常见的材料包括有机半导体材料和无机材料。其中有机半导体材料有着很丰富的种类，而且也能够起到很好的效果，但是其成本较高，制约了其发展。而无机材料不仅能够发挥很好的应用效果，比有机半导体材料的效果好，而且成本还比较低，所以将其运用到有机太阳能电池中更为适合具有更好的实际价值。于是本文将研究无机材料在有机太阳能电池中的应用。

1 有机太阳能电池的原理及结构

有机太阳能电池的原理就是通过光伏器件将太阳能的光能转化为电能。首先太阳光照射在有机材料上，然后有机材料将光子进行吸收，当这些光子的能量高于有机材料的禁带宽度时，才能生产出激子，只有在激子的作用下然后通过内建电场，这些激子就会分离，然后各自朝向不同的电极运动，有机太阳能电池的两极就会收集到激子运动所产生的电动势能，再将电池的两极接到外电路，这种电动势能就会形成电流，于是就达到了将太阳光转化为电能的作用。该整个过程就是有机太阳能电池的简要工作原理。

最开始的有机太阳能电池结构是肖特基结构，由于其发明时间较早，所以其结构较为简单，就是在两个电极之间放人一个有机半导体材料，而且这种半导体材料比较简单、单一，其对太阳能的转化效率很小。于是后来就有研究者对其进行优化、创新，于是相继发了双层异质结器件、本体异质结器件、分子D-A结器件以及级联结构器件[1]。这四种不同类型的有机太阳能电池的是在前者的基础上不断的进行优化后所得到的性能升级的电池。其中异质结器件与肖特基结构相比，提高了太陽能的转化效率，但是器件还不够稳定[2]。级联结构是用两个或两个以上的电池通过串联的方式组合起来作为一个器件，如图1所示。因为一种材料的能力是有限，将不同的材料运用于一个器件中就能够达到更大的作用，能力更加广泛，对于不同的光谱，不同的材料其中就会对不同的光谱起到作用，如果只有一种材料，那么这种材料就只能对一种光谱起到作用。所以该种方式与之前的电池结构相比，效率提高更加的明显，电池的稳定性也会更好[3]。

2 有机太阳能电池中无机材料的应用

根据上文所分析的有机太阳电池的工作原理和结构，还分析了电池材料的发展，然后接下来将研究其应用，主要研究三个方面的应用，分别为在阳极缓冲层的应用、在活性层中的应用和作为阴极缓冲材料的应用。这三个方面是无机材料在有机太阳能电池的中的主要应用点，接下将对其进行具体分析。

2.1在活性层中的应用

活性层属于无机材料的一部分，将无机材料用于活性层中能够发挥重要的作用。一般情况下，无机材料在活性层中的应用有四类材料，这四类无机材料分别为纳米硅、铬化合物、金属氧化物和能级低的纳米粒子。这四类材料都会各自的特点，其发挥的作用也不一样，接下来将对这4类无机材料在有机太阳能电池活性层中的应用进行具体分析。

2.1.1纳米硅

纳米硅的性质是没有毒，且无害的一种有机材料，该类别的有机材料的主要优势就是具有很好的电子迁移率，在感受到阳光时，能够很大程度的吸收太阳能，纳米硅能够作为受体结构，于是才可以发明太阳能电池。纳米硅在有机太阳能电池中的应用方式就是线列阵，这种作用方式能够在让有机太阳能电池具有很好的吸收可见光和近红外线的作用，还能够对电子迁移率进行大幅度的提升。纳米硅是有机太阳能电池中是直接串联的结构，将电池内部的电池进行增大，对电子转移进行了简化，还对太阳能传送过程进行了优化。总之，纳米硅在有机太阳能电池中的应用能够发挥非常重的作用。

2.1.2铬化合物

铬化合物与纳米硅一样都是以无机受体的方式在有机太阳能上应用。该类无机材料的应用主要作用就是对太阳能电池的电子传输效率进行了很大的提高。比如，球形铬化合物应用于电池的器件中时，球形铬化合物表面存在一层绝缘层，该绝缘层能够很大程度的限制电池的电荷传输，这样就会对电池的电子传输效率有真提高的作用。比如，CdS这种无机材料作为受体，能够提高电荷的收集效率和分离效率。JiangXX等人以垂直的CdS列阵作为受体，通过研究MEH-PPV在CdS表面的不同作用方式，通过使用退火处理的方式对器件的性能影响[4]。如图2所示，研究了两种的作用方式，分别为浸涂和旋涂，两种方式都对PCE进行大幅度的提高，浸涂提高了4倍，旋涂提高了2倍。

2.1.3金属氧化物

在有机太阳能电池中金属氧化物有两种，一种是氧化锌，另一种是氧化钛，这两种无机材料都能在有机太阳能中发挥作用。氧化锌是一种N型的半导体无机材料，所以具有非常好的电子传输特性，比一般的金属氧化物的高出一个数量级，所以将其运用到有机太阳能电池中具有比较好的优势。但是氧化锌也有一个缺点就是其应用的化学稳定性有点不好，特别的当其运用到有机太阳能电池的酸碱环境中，所以在应用氧化锌时，有机太阳能电池一定要注意，所以当今对太阳能电池的研究中，对于氧化锌的稳定性研究是一个非常重要的方面，一旦能够提高氧化锌的化学稳定性将会在有机太阳能电池中发挥更大的价值和具有更加广泛的应用。

第二种氧化钛是一种有序的纳米粒子，应用于有机太阳能电池中最主要的作用就是能够建设较好的电荷传送途径，就能够对电荷的收集效率进行提高，因为氧化锌能够大面积的与有机太阳能电池进行接触，接触面积越大，对于电荷收集效率就会越有利。与氧化锌相比，氧化鈦的化学稳定性更加好，透光性能也比较好，虽然氧化钛的电子传输性能还可以，但是没有氧化锌的好，由于氧化锌不稳定，所以当前对于氧化钛在有机太阳能电池中的应用更加的广泛。

2.1.4能级低的纳米粒子

该类型的无机材料的主要作用就是对有机太阳能电池提高太阳能的转化率，因为有机与无机体相结合使是会对无机物的波长进行改变的。能级低的纳米粒子在有机太阳能电池的使用位置为对光的吸收区域，放在该区域就能够对太阳能的转化率进行提高，还能够对载流子的复合量进行减少。所以能级低的纳米粒子应用在有机太阳能电池中能提高对光的吸收率。

2.2作为阴极缓冲材料的应用

有机太阳能电池其自身有一个很大的缺点就是稳定性比较差，所以在使用过程中容易出现问题，为了解决这种稳定性差的问题，可以将无机材料作为阴极缓冲材料，这样就可以提高太阳能电池的问题性。这种提高稳定性的原理是使用无机材料作为缓冲层，设置位置为电池有机层和阴极之间，这样就可以当做是两者的接触层，而不是让电池有机层与阴极进行直接的接触，这样就可以提高有机太阳能电池的稳定性，减少电阻，保护有机层，最终可以达到对有机太阳能电池的寿命延长作用。作为有机太阳能电池的缓冲层的材料主要有三个种类，分别为氟化锂、氧化锰和氧化钛。下面将对其一一进行介绍。

2.2.1氟化锂

氟化锂的主要作用就是对阴极层进行装饰作用，设置在阴极层的表面，还能够对阴极层进行保护。对阴极层进行装饰作用的原理是首先应用氟化锂在电池中，会降低有机太阳能电池中的A1的功函数，然后在阴极界面就会产生偶极子，它具有很好的扩散性，能够很快的扩散到有机层中，于是对有机层进行了一定的修饰作用。但是氟化锂的厚度设置得不科学，也将会影响使用效果，所以在应用氟化锂时要能够合理的对厚度进行科学设计，让其发挥对有机太阳能电池中阴极层的保护作用。

2.2.2氧化锰

氧化锰的作用与氟化锂一样，其主要作用就是对有机太阳能电池的阴极层进行保护与修饰的作用。其发生保护与修饰作用中需要运用到真空蒸镀法，然后让氧化锰的效果达到更好。

2.2.3氧化钛

氧化钛作为阴极缓冲材料，其主要作用也是对阴极层进行保护。因为在有机太阳能电池中应用氧化钛能够让空穴移动到阴极层中，于是起到保护的作用。在保护过程中氧化钛的工作就是传输和收集电子，也可以当第二基底。氧化钛采用的是串联方式，且涂抹方式为旋涂，这样可以让氧化锰在有机太阳能电池中发挥更加好的效果。如图3所示，它是由Hansel等人所研制的，该器件通过使用氧化钛无机材料，能够让电子收集能力变大，还对解离激子效率[5]。

2.3在阳极缓冲层的应用

有机太阳能电池中阳极缓冲层使用无机材料的最主要的作用就是修饰阳极[6]。作为修饰阳极缓冲层的无机材料类型和厚度不同，对有机太阳能电池的影响效果也是不一样的。作为阳极缓冲层的无机材料一般会使用到以下三种材料，分别为三氧化钼、三氧化钨和氧化镍，下面将介绍这三种无机材料在阳极缓冲层中的应用表现。

2.3.1三氧化钼

三氧化钼在阳极缓冲层中有一个特殊的作用，就是专门应用在电池的红外线中，所以让其具有特殊性，在红外线中使用，可以对光的吸收率有一个很大的提高，对电池的能量转化也会有一个很大的提高。

2.3.2三氧化钨

三氧化钨在阳极修饰层中能够提高器件的效率。Han等人研究了三氧化钨作用于阳极中的应用效果，得出结论为通过使用三氧化钨能够对器件中的载流子复合效率降低，是器件的效率能够达到3.1%[7]。

2.3.3氧化镍

氧化镍在阳极修饰层中的主要作用就是保障了电池的工作效率。Steirer等人对ITO/PEDOT：PSS/P3HT：PCBM/Ca/A1器件进行了研究，发现通过使用氧化镍作为阳极修饰层，如图4所示，然后再通过一系列的处理，最后得出使用氧化镍能够提高器件的性能，而且氧化镍的厚度也会对器件产生影响，当厚度为10纳米时，器件的性能是最优的[8]。

将无机材料应用于电池中作为阳极缓冲材料不仅能对提高工作效率、修饰阳极层，还能够防止电机与有机层中出现电化学现象，对载流子收集效率是由一个很大的提高。总的来说将无机材料应用于有机太阳能电池中对结构的整体稳定性是会有很大的提升。

3 结语

无机材料应用于有机太阳能电池发挥的作用有很多，不同的无机材料的作用不一样，通过使用无机材料，让合适的无机材料运用到电池合适的地方，能够提高有机太阳能电池的光能转化效率，能够让电池运行得更加稳定，更有助于电池在当今社会的发展。随着将来我国科学技术的快速发展，无机材料的应用效果将会更加的明显，目前，对于无机材料的开发还只是一部分，如果能够开发出无机材料的全部优势，然后将其运用于有机太阳能电池中，对社会的作用将会更大，人民的生活将会更加美满。

参考文献

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