東營(yíng)職業(yè)學(xué)院 張 霄

在當(dāng)今全球能源高度緊張的背景下，由于高科技的快速發(fā)展，對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域的科技開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為一個(gè)標(biāo)志性起點(diǎn)，對(duì)光伏效應(yīng)的太陽(yáng)能電池的充分利用是當(dāng)今高科技發(fā)展背景下清潔能源利用的根本目的，同時(shí)也是現(xiàn)代較熱門的研究對(duì)象，原因在于傳統(tǒng)無(wú)機(jī)材料的太陽(yáng)能電池生產(chǎn)工序較為復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高，設(shè)備較為昂貴，材料的選擇不夠便利，并且能量轉(zhuǎn)換效率不理想等一系列原因，導(dǎo)致其發(fā)展受到了阻礙。

目前，光伏電池的發(fā)展方向主要有：進(jìn)一步使太陽(yáng)能電池性能得到改善、降低太陽(yáng)能電池的制造成本，同時(shí)還要重視減少因大規(guī)模大批量的生產(chǎn)給環(huán)境帶來(lái)的不利影響。近幾年，由于導(dǎo)電聚合物的研究與開(kāi)發(fā)，大大提高了開(kāi)發(fā)低成本的有機(jī)聚合物光伏電池的可能性，有機(jī)光伏電池的主要具備有機(jī)化合物種類多樣化，有機(jī)分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)較容易修飾，化合物的提純與制備的加工工序較簡(jiǎn)便等主要優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還較容易制造柔性器件、特別形狀的期間以及大面積器件等，然而當(dāng)前有機(jī)光伏太陽(yáng)能電池與傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池相比，其光能與電能之間的轉(zhuǎn)化能力還處于劣勢(shì)，所以，其研究的重點(diǎn)是在于如何提升有機(jī)光伏電池的光電轉(zhuǎn)換率。有機(jī)光伏太陽(yáng)能電池與傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)碳楊能電池的工作原理較為相近，二者都是以半導(dǎo)體界面的光能福特效應(yīng)為基礎(chǔ)進(jìn)行發(fā)電工作。

在當(dāng)前的太陽(yáng)能電池中，傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池在理論及研究方面發(fā)展較為成熟，然而有機(jī)半導(dǎo)體光伏太陽(yáng)能電池依然處在理論構(gòu)思和研究過(guò)程當(dāng)中。

一、有機(jī)光伏材料的介紹

有機(jī)光伏材料與無(wú)機(jī)材料的基本區(qū)別在于有機(jī)光伏材料中的光生激子之間具有強(qiáng)烈的束縛作用，一般都是緊密的束縛在一起，通常不會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)分離而形成單獨(dú)的電荷；其電荷是通過(guò)跳躍的方式在規(guī)定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行分子傳輸工作，并非帶內(nèi)傳輸，因而其遷移率較低；相對(duì)于太陽(yáng)光光譜來(lái)說(shuō)，對(duì)于光的波長(zhǎng)吸收范圍較為狹窄，但其吸收系數(shù)很高，100納米的薄膜就可以收集到較強(qiáng)的光密度；有機(jī)材料一般在有水條件下與有氧條件下處于不穩(wěn)定狀態(tài)；對(duì)于其本身是一維半導(dǎo)體的情況來(lái)說(shuō)，其本身的電能與光性都各自具有較高的各向區(qū)別，這種特性可以為器件的研究設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的利用價(jià)值。

分子鏈中能夠通過(guò)部分離域的不同軌道來(lái)完成光能吸收和電荷傳輸?shù)冗^(guò)程，同時(shí)分子鏈中還存在共軛體系是有機(jī)光伏材料器件的激活材料所必須具有的功能。有機(jī)光伏材料還可以按照相應(yīng)的機(jī)械性能與加工性能分為可溶材料、不溶材料、為榮材料以及液晶材料。其中一般包括小分子、低聚物分子、高聚物分子、液晶分子等。能夠吸收可見(jiàn)光線的低聚物或者單體物質(zhì)，稱之為發(fā)色團(tuán)，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)其本身的可溶性分為染料和顏料，一般可溶性較強(qiáng)或具備一定溶解性的被稱為染料，沒(méi)有溶解性或具備較弱溶解性的稱為顏料。在通常情況下，激活層材料所具備的溶解性能決定著有機(jī)光伏材料電池的制作工藝。在制作過(guò)程中，對(duì)于可溶性較強(qiáng)的染料以及可溶聚合物應(yīng)采用溶液旋轉(zhuǎn)涂抹的方法或刮涂成膜等方法，對(duì)于不溶或難溶的顏料分子主要采用真空積沉法成膜，晶體顏料分子則應(yīng)使用物理蒸發(fā)成膜的方式來(lái)對(duì)其進(jìn)行加工，本文重點(diǎn)概述有機(jī)光伏材料中的高分子材料與低分子材料。當(dāng)今主要用于有機(jī)光伏器件研究的材料有噻吩（PTH）衍生物、聚對(duì)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，這些聚合物基本具有較大的共軛系統(tǒng)，可以利用相應(yīng)的摻雜或者化學(xué)分子修飾來(lái)使材料的導(dǎo)電性能得到調(diào)節(jié)。

圖1 有機(jī)光伏電池的基本工作原理

由于液晶分子具備很高的電子荷載遷移率同時(shí)具有較長(zhǎng)的激子擴(kuò)散長(zhǎng)度，因而在近幾年的有機(jī)光伏材料太陽(yáng)能電池研究中得到重視，液晶分子材料會(huì)在一定的溫度范圍內(nèi)介于固態(tài)與液態(tài)之間，在這種狀態(tài)之下，其分子更加便于重新排列或自行組合，同時(shí)還能夠充分發(fā)揮自身的機(jī)械性能，所以晶體分子對(duì)光伏電池的研究與應(yīng)用方面發(fā)揮了更加有利的作用。

二、有機(jī)光伏電池的基本工作原理

有機(jī)光伏電池的基本工作原理相近于無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池原理，其基本原理如下：

1、有機(jī)光伏器件在經(jīng)過(guò)一定的光照后，會(huì)將具有能量的光子吸收到半導(dǎo)體層內(nèi)，從而激發(fā)電子從價(jià)帶到導(dǎo)帶之間的移動(dòng)，同時(shí)在價(jià)帶區(qū)域留出空隙，這種空隙通常被稱為“空穴”，這樣的空穴中帶有正電荷。

2、傳統(tǒng)半導(dǎo)體內(nèi)的被激發(fā)電子和通過(guò)上述過(guò)程所形成的空穴之間會(huì)出現(xiàn)自由的反電極方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在導(dǎo)電聚合物體中所受入的射光子激發(fā)而形成的電子與空穴之間會(huì)產(chǎn)生相互束縛作用，從而形成激子。

3、通常情況下，這些電子與空穴的形成都是有光子的激發(fā)作用來(lái)完成的，如若在電場(chǎng)之內(nèi)或在電場(chǎng)的界面位置上，這些電子與空穴所形成的組合將會(huì)產(chǎn)生分離活動(dòng)，形成單獨(dú)的電子與空穴，這也就是人們所說(shuō)的帶電荷載流子，它們的互相遷移運(yùn)動(dòng)就形成了光能電流，如圖1所示。

然而有機(jī)材料的機(jī)子奮力活動(dòng)與移動(dòng)現(xiàn)象并不是全都有效的，因此，為了時(shí)光能更加有效地向電能轉(zhuǎn)變，務(wù)必要具備以下幾個(gè)具體條件：首先，在有機(jī)光伏材料太陽(yáng)能電池中的激活區(qū)域內(nèi)的采光條件必須要好，光能吸收量一定要大；其次，在對(duì)光子進(jìn)行吸收后所產(chǎn)生的自由何在電流子必須要有足夠的數(shù)目，從而使內(nèi)部電場(chǎng)的存在表現(xiàn)得更加清晰；最后，在其中所產(chǎn)生的荷載電流子要盡可能的降低自身?yè)p耗量來(lái)向外部電路進(jìn)行電能輸送工作，從而使光能與電能的轉(zhuǎn)換率有所提高。

然而在效果上并沒(méi)有達(dá)到預(yù)定要求，事實(shí)上的光能向電能轉(zhuǎn)換過(guò)程中依然有大量損耗現(xiàn)象的存在，是有機(jī)光伏材料太陽(yáng)能電池的實(shí)際使用效率變得很低。在光能向電能轉(zhuǎn)換的過(guò)程中會(huì)受到不同因素的影響，從而大量損耗，在光吸收的過(guò)程中，光能的折射與反射作用會(huì)使光能有大量的損耗，從而影響了光電轉(zhuǎn)換效率，在激子產(chǎn)生的過(guò)程當(dāng)中，激子復(fù)合也會(huì)導(dǎo)致能量流失，另外在光轉(zhuǎn)換過(guò)程中的激子擴(kuò)散、電荷分離、電荷傳輸、電荷收集等各個(gè)環(huán)節(jié)中也存在不同的能量流失，直接導(dǎo)致了有機(jī)光伏材料太陽(yáng)能電池使用率降低。

三、有機(jī)光伏材料的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)與研究方向

通過(guò)人們近幾年對(duì)有機(jī)光伏材料進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)，并對(duì)其技術(shù)不斷深入創(chuàng)新后，在有機(jī)光伏材料太陽(yáng)能電池的研究方面取得了相當(dāng)豐碩的成果，并獲得了開(kāi)路高電壓的發(fā)電方法，短路電流的發(fā)生幾率以及填充因子影響率也比傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池低很多，較低光電流的形成原因是由于光能吸收率不夠所造成的，除此之外，光電流較低的形成原因還由于電流在產(chǎn)生的過(guò)程中電阻對(duì)其本身的影響所造成的額外損耗，然而填充因子的形成是由于地點(diǎn)和在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的高復(fù)合影響所造成的。因此，應(yīng)重點(diǎn)研究一下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

1、提高光能吸收率，并相應(yīng)的改善光能吸收環(huán)境。在此過(guò)程中一般采取具有紅外光能吸收的聚合材料以及共軛結(jié)晶染料，同時(shí)還要改善設(shè)備的受光條件，要保證設(shè)備安置在陽(yáng)光充足的地點(diǎn)，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備較高流動(dòng)性能的聚合材料，從而使光電流產(chǎn)生條件得到改善，從而有利于降低光電能的損耗量。

3、加強(qiáng)器件設(shè)備的優(yōu)化性能與穩(wěn)定性能，器件性能的提高無(wú)非是降低電能損耗量的有效途徑之一。

4、加強(qiáng)對(duì)有機(jī)光伏材料性能的了解，同時(shí)了解相關(guān)器件的使用性能，只有掌握了有機(jī)光伏材料的性能才會(huì)使該材料能夠更好地發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

與此同時(shí)，高效有機(jī)光伏材料器件還應(yīng)該具備光誘導(dǎo)的電荷產(chǎn)生與分離或產(chǎn)生的電荷及時(shí)傳輸?shù)诫姌O等因素，并需要在同一種材料中同時(shí)完成這兩個(gè)不同的過(guò)程，決定郵局光伏器件效率的基本因素在于怎樣才能有效的完成這一過(guò)程。

多功能的有機(jī)光伏材料在未來(lái)發(fā)展中應(yīng)通過(guò)分子設(shè)計(jì)朝著電光特性的可調(diào)節(jié)性、加工簡(jiǎn)單并能支撐較大面積的薄膜可控制度的方向發(fā)展，同時(shí)還要求有機(jī)光伏材料能夠與其他材料進(jìn)行良好的融合，并保證材料成本與技術(shù)成本較低。

在器件方面應(yīng)采取以下措施來(lái)進(jìn)行期間優(yōu)化階段：首先，要加強(qiáng)金屬電極的優(yōu)化，使其達(dá)到“歐姆接觸”，從而能夠更有效的收集光能，其次，在對(duì)D/A對(duì)匹配進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí)還要加強(qiáng)對(duì)共軛聚合物帶隙的調(diào)整，以便于更好的接收光能，最后，還要注重優(yōu)化相分離復(fù)合材料的網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)，以便于其載流子的產(chǎn)生效率與傳送效率的提高，與此同時(shí)還需要求點(diǎn)和載流子在復(fù)合體中的不同分組吸收與移動(dòng)達(dá)到最大數(shù)值，經(jīng)過(guò)上述對(duì)器件方面的優(yōu)化措施，使有機(jī)光伏材料的光電轉(zhuǎn)換率得到有效提升。

四、結(jié)束語(yǔ)

由于有機(jī)光伏材料在近幾年內(nèi)的研究與應(yīng)用得到快速發(fā)展，并取得了良好的成果，經(jīng)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前有機(jī)光伏材料的光電轉(zhuǎn)換率已經(jīng)達(dá)到了新高，這一成果主要?dú)w功于該領(lǐng)域中廣大的研究人員的不懈努力，相信通過(guò)不懈的努力會(huì)使有機(jī)光伏材料在未來(lái)的清潔能源發(fā)展中發(fā)揮更好的作用。

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