聚合物太阳能电池光伏材料的研究进展

摘 要：光伏材料是太阳能电池的专用材料，指的是能够将太阳能直接转化为电能的材料。聚合物太阳能的响应方式，是与传统无机太阳能电池的光电响应方式非常不同的现代工作方式。聚合物太阳能电池的器件结构、工作原理、光电效应，以及电能的产生过程有其特殊性。回顾其发展历程，为提高聚合物太阳能电池效率的途径总结、研究太阳能电池的使用寿命，以及今后未来的发展指明了方向。

关键词：聚合物;太阳能电池;光伏材料;新能源

前言：太阳能电池中的光伏材料能够把太阳能直接转化为电能，而以聚合物为主体的光伏材料将有效的产生伏特效应。近几年来，广大企业纷纷发现了聚合物太阳能电池生产成本低廉、轻薄灵活、光伏材料分子结构可设计性强的优点。提升光电转化效率，改善电池结构，优化光伏材料的选择，改变电池组装技术等等，是强化聚合物太阳能电池工作原理的法宝。

一、聚合物太阳能电池发展的历程

太阳能作为一种容易获取，且安全、清洁、无污染的新型能源，为现代人解决能源危机提供了崭新的思路。太阳能来制造有效的太阳能电池技术，最早是由实用性的单晶硅电池拉开序幕的。而后经历了无机化合物、半导体太阳能电池、有机小分子太阳能电池，以及聚合物太阳能电池等几个历史发展阶段。

与其他几种太阳能电池相比，人们发现聚合物太阳能电池的原料应用较为广泛，而且生产成本较低，其光伏材料可以自行设计，而且在制备柔性器件时其优势非常明显。聚合物太阳能电池中的P型材料工作原理比较简单，只要当光照射到聚合物的电池材料之后，光子就会被迅速的吸收。激子产生之后，扩散到给体受体的接触界面，而后自由分离，分离结果往往是成自由电子和空穴。

聚合物太阳能电池的电能转化原理，是在内建电场的驱动之下，自由电子通过竖体材料的通道，直接迁移到阳极，而空穴则通过给体材料通道继续迁移到阴极。需要特别关注的是，现代聚合物太阳能电池的光敏层结构，优化的光敏层结构将对于未来太阳能电池的发展趋势给予更好的推动。

二、聚合物太阳能电池的开发原理及必要性

聚合物太阳能电池是一种有机的太阳能电池，由于其使用光伏材料，因此也被称之为有机光伏电池。使用有机半导体材料作为实现光电转化效应的电池材料，在吸收光子之后，常常激发了各自电极，这是一种太阳能电池产业化发展过程中实现有机太阳能电池大幅度和大规模推广的历程。聚合物太阳能电池的导电性能使得其在制造轻薄型的轻质电池以及高分子聚合物电池方面的应用，前景十分广阔。聚合物太阳能电池通常的器件活性层可以做到很薄，该厚度仅为0.1um，就可以很好的达到光能的吸收，因此，各大企业及相关产业希望能够使得聚合物太阳能电池更大规模的走入到商品化市场。新能源领域目前作为国家经济发展过程中极为重要的一个发展方向，对于未来太阳能电池的发展趋势提出了新的要求和展望，军用行业、以及民用和商用行业，都希望能够更好的应用聚合物太阳能电池，因此，研究该类型电池的材料演变过程具有非常积极的意义及必要性。

三、聚合物太阳能电池光伏材料的发展演变

（一）聚合物太阳能电池光敏层的结构

聚合物太阳能电池由聚合物光敏层、阴阳极组成，并且需要部分调节光的附加层共同辅助发挥作用，聚合物光敏层的性能对于整个电池的性能起到的作用是至关重要的，由于其结构往往是采用PPV制备单层结构器件，因此其早期的聚合物太阳能电池可能由于半导体材料较为单一，导致光敏层的光吸收不能很好的覆盖太阳光谱。这就造成了对于太阳光资源的浪费，而且使得聚合物太阳能电池的光电响应反应有更大的提升空间。为了避免单层结构器件自由电子负荷浓度过低，从而能够解决单层结构电池能源能效较低的长效问题，研究者开始将注意力逐渐的转移到异质结构类型的聚合物太阳能电池研究领域。通过太阳能电池发光和应用实践的有关数据及案例可以发现，双层结构以及混合结构的异质结构太阳能电池，其分效性和电能转换效率将更高。双层结构电池可以使得聚合物材料的光谱吸收率更高，但是由于在太阳光谱匹配度方面注重聚合物材料的电荷传输能力，激子传输速率不能很好的传输到结合面，也使得很多电子能源被白白浪费。而体异质结构类型的聚合物太阳能电池，由于使用D相和A相相互渗透，能够非常良好的结合成网络中的连续相共混薄膜，电子和空穴不容易接近，反而大幅度提高了能量的转化效率。

（二）聚合物太阳能电池光伏材料

聚合物太阳能电池的光伏材料，主要指的是其电子给体和电子受体，这两大类材料的结构直接影响了聚合物太阳能电池的正常工作。目前，应用较为广泛的聚合物太阳能电池光伏受体材料，往往使用的是无机半导体纳米晶类材料。这利用了无机纳米晶载流子牵引率高，化学性能较为稳定而良好的特点。无机纳米晶体常常使用CdS、Cdse、Zno、TiO2等等材质共同混合，经过实验测算可以发现，其能量转化率已经达到39%～160%。聚合物太阳能电池光伏材料的受体材料发展速度较为迅速，但是人们也发现了在半导体纳米晶与聚合物溶液混合的过程中，可能会出现分离性比较差，容易发生聚集情况的问题。虽然聚合物受体材料通过对于主链使用不同取代基，促使其电子受体性能提升，但是由于载荷传输能力较低，该器件的能量转换效率仍然有提升的空间。

（三）聚合物太阳能电池光敏材料的优化展望

近几年来在光电领域内应用非常广泛、经常被使用制作电子光能器件的材料为3聚苯撑乙烯，PPV类的给体材料具有良好的溶解性，且容易修饰。虽然其对于可见光覆盖区域比较狭窄，而且带隙较大，但是仍然可以采用改进聚合方法、区域性规整等方式实现更加有序的分子结构排列。另外，研究者认为引入不同的取代基团，也可以达到很好的电载流子迁移率，从而能够更好的提升聚合物太阳能电池的使用寿命。

为了能够优化光敏层膜的微观形貌，依靠聚合物的自我组合形成非常良性的嵌段共聚物质，利用二者的光学形态不相容，结合PLLA的生物可降解性，在层面实现微相分离之后，能够形成特定而有序的纳米尺度。在未来，可降解的PLLA将会得到更加广泛的应用，使得C60的完美嵌入提供了很好的通道，这种负荷的共混聚合物其本体与传统的太阳能电池相比将更加稳定，而且能够显著的提升载流子的迁移效率，提高整个器件的光电响应效率。

总结

聚合物太阳能电池光伏材料的发展，与传统的无机太阳能电池相比具有非常明显的优势，人们在设计合成材料的时候，希望能够更好的控制和优化光敏层材料的微观形貌。电池器件结构对于材料的吸光强度有明显的要求，而在载流子迁移率提升的研究过程中，电池的制作工艺也将显著的影响其使用寿命。之所以展开该研究，就是希望能够随着研究的不断深入，发现并制造具有更强稳定性，更低生产成本和更高光电响应效率的聚合物太阳能电池光伏材料，从而能够为人们的日常生活和其他各个领域带来更便利的电能供应。

参考文献：

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[4]郭彪. 通过氧化锌阴极界面层的修饰和活性层的溶剂处理提高聚合物太阳能电池性能[D].吉林大学，2018.

作者简介：

赵雨琪， 出生年月：1998年7月，性别：女，籍贯： 吉林白城，学历：本科，专业：材料科学，任职单位：湘潭大学材料学院，主要研究方向：新能源材料及开发等方面。