張琨

摘要：隨著國內(nèi)外對清潔能源太陽能的不斷利用研究，其中有機(jī)太陽能電池的利用，能夠帶給人類帶來更多的能源。在有機(jī)太陽能電池中，其中需要運(yùn)用到有機(jī)半導(dǎo)體材料或者無機(jī)材料作為緩沖層，由于無機(jī)材料的應(yīng)用效果更加明顯，并且購買成本更加低廉，于是將其運(yùn)用于有機(jī)太陽能電池中能夠有更大的效益。本文將主要研究有機(jī)太陽能電池中無機(jī)材料的應(yīng)用。首先對有機(jī)太陽能電池的工作原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，然后再具體分析無機(jī)材料三個方面的應(yīng)用，分別為在陽極緩沖層的應(yīng)用、在活性層中的應(yīng)用和作為陰極緩沖材料的應(yīng)用。無機(jī)材料的類型比較多，不同類型的無機(jī)材料應(yīng)用到有機(jī)太陽能電池中會有不同的應(yīng)用效果，所以文中會對不同無機(jī)材料的作用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：有機(jī)太陽能電池;無機(jī)材料;應(yīng)用

中圖分類號：TQ050.4+21 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）12-0065-04

當(dāng)今世界，能源匱乏問題無處不在，對各國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展都起到了一定的制約作用，而且在一定程度上也給環(huán)境造成了影響，使得各國都開始對新能源進(jìn)行開發(fā)。其中太陽能是一種取之不盡的新型能源，對該能源進(jìn)行利用，可以緩解化石能源缺乏的問題。當(dāng)前，對于太陽能電池的研究有了一定程度的突破，對各行各業(yè)的發(fā)展將會有一些良好的影響。有機(jī)太陽能電池主要有三個部分組成，分別為正電極、負(fù)電極和光活性層。在有機(jī)太陽能電池中其對太陽能的轉(zhuǎn)化效率與緩沖層有著很大的聯(lián)系，所以為了提高太陽能的轉(zhuǎn)化效率，需要對緩沖層進(jìn)行深刻的研究。緩沖層的材料是對緩沖層的作用起到直接的影響，常見的材料包括有機(jī)半導(dǎo)體材料和無機(jī)材料。其中有機(jī)半導(dǎo)體材料有著很豐富的種類，而且也能夠起到很好的效果，但是其成本較高，制約了其發(fā)展。而無機(jī)材料不僅能夠發(fā)揮很好的應(yīng)用效果，比有機(jī)半導(dǎo)體材料的效果好，而且成本還比較低，所以將其運(yùn)用到有機(jī)太陽能電池中更為適合具有更好的實際價值。于是本文將研究無機(jī)材料在有機(jī)太陽能電池中的應(yīng)用。

1 有機(jī)太陽能電池的原理及結(jié)構(gòu)

有機(jī)太陽能電池的原理就是通過光伏器件將太陽能的光能轉(zhuǎn)化為電能。首先太陽光照射在有機(jī)材料上，然后有機(jī)材料將光子進(jìn)行吸收，當(dāng)這些光子的能量高于有機(jī)材料的禁帶寬度時，才能生產(chǎn)出激子，只有在激子的作用下然后通過內(nèi)建電場，這些激子就會分離，然后各自朝向不同的電極運(yùn)動，有機(jī)太陽能電池的兩極就會收集到激子運(yùn)動所產(chǎn)生的電動勢能，再將電池的兩極接到外電路，這種電動勢能就會形成電流，于是就達(dá)到了將太陽光轉(zhuǎn)化為電能的作用。該整個過程就是有機(jī)太陽能電池的簡要工作原理。

最開始的有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)是肖特基結(jié)構(gòu)，由于其發(fā)明時間較早，所以其結(jié)構(gòu)較為簡單，就是在兩個電極之間放人一個有機(jī)半導(dǎo)體材料，而且這種半導(dǎo)體材料比較簡單、單一，其對太陽能的轉(zhuǎn)化效率很小。于是后來就有研究者對其進(jìn)行優(yōu)化、創(chuàng)新，于是相繼發(fā)了雙層異質(zhì)結(jié)器件、本體異質(zhì)結(jié)器件、分子D-A結(jié)器件以及級聯(lián)結(jié)構(gòu)器件[1]。這四種不同類型的有機(jī)太陽能電池的是在前者的基礎(chǔ)上不斷的進(jìn)行優(yōu)化后所得到的性能升級的電池。其中異質(zhì)結(jié)器件與肖特基結(jié)構(gòu)相比，提高了太陽能的轉(zhuǎn)化效率，但是器件還不夠穩(wěn)定[2]。級聯(lián)結(jié)構(gòu)是用兩個或兩個以上的電池通過串聯(lián)的方式組合起來作為一個器件，如圖1所示。因為一種材料的能力是有限，將不同的材料運(yùn)用于一個器件中就能夠達(dá)到更大的作用，能力更加廣泛，對于不同的光譜，不同的材料其中就會對不同的光譜起到作用，如果只有一種材料，那么這種材料就只能對一種光譜起到作用。所以該種方式與之前的電池結(jié)構(gòu)相比，效率提高更加的明顯，電池的穩(wěn)定性也會更好[3]。

2 有機(jī)太陽能電池中無機(jī)材料的應(yīng)用

根據(jù)上文所分析的有機(jī)太陽電池的工作原理和結(jié)構(gòu)，還分析了電池材料的發(fā)展，然后接下來將研究其應(yīng)用，主要研究三個方面的應(yīng)用，分別為在陽極緩沖層的應(yīng)用、在活性層中的應(yīng)用和作為陰極緩沖材料的應(yīng)用。這三個方面是無機(jī)材料在有機(jī)太陽能電池的中的主要應(yīng)用點，接下將對其進(jìn)行具體分析。

2.1在活性層中的應(yīng)用

活性層屬于無機(jī)材料的一部分，將無機(jī)材料用于活性層中能夠發(fā)揮重要的作用。一般情況下，無機(jī)材料在活性層中的應(yīng)用有四類材料，這四類無機(jī)材料分別為納米硅、鉻化合物、金屬氧化物和能級低的納米粒子。這四類材料都會各自的特點，其發(fā)揮的作用也不一樣，接下來將對這4類無機(jī)材料在有機(jī)太陽能電池活性層中的應(yīng)用進(jìn)行具體分析。

2.1.1納米硅

納米硅的性質(zhì)是沒有毒，且無害的一種有機(jī)材料，該類別的有機(jī)材料的主要優(yōu)勢就是具有很好的電子遷移率，在感受到陽光時，能夠很大程度的吸收太陽能，納米硅能夠作為受體結(jié)構(gòu)，于是才可以發(fā)明太陽能電池。納米硅在有機(jī)太陽能電池中的應(yīng)用方式就是線列陣，這種作用方式能夠在讓有機(jī)太陽能電池具有很好的吸收可見光和近紅外線的作用，還能夠?qū)﹄娮舆w移率進(jìn)行大幅度的提升。納米硅是有機(jī)太陽能電池中是直接串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，將電池內(nèi)部的電池進(jìn)行增大，對電子轉(zhuǎn)移進(jìn)行了簡化，還對太陽能傳送過程進(jìn)行了優(yōu)化。總之，納米硅在有機(jī)太陽能電池中的應(yīng)用能夠發(fā)揮非常重的作用。

2.1.2鉻化合物

鉻化合物與納米硅一樣都是以無機(jī)受體的方式在有機(jī)太陽能上應(yīng)用。該類無機(jī)材料的應(yīng)用主要作用就是對太陽能電池的電子傳輸效率進(jìn)行了很大的提高。比如，球形鉻化合物應(yīng)用于電池的器件中時，球形鉻化合物表面存在一層絕緣層，該絕緣層能夠很大程度的限制電池的電荷傳輸，這樣就會對電池的電子傳輸效率有真提高的作用。比如，CdS這種無機(jī)材料作為受體，能夠提高電荷的收集效率和分離效率。JiangXX等人以垂直的CdS列陣作為受體，通過研究MEH-PPV在CdS表面的不同作用方式，通過使用退火處理的方式對器件的性能影響[4]。如圖2所示，研究了兩種的作用方式，分別為浸涂和旋涂，兩種方式都對PCE進(jìn)行大幅度的提高，浸涂提高了4倍，旋涂提高了2倍。

2.1.3金屬氧化物

在有機(jī)太陽能電池中金屬氧化物有兩種，一種是氧化鋅，另一種是氧化鈦，這兩種無機(jī)材料都能在有機(jī)太陽能中發(fā)揮作用。氧化鋅是一種N型的半導(dǎo)體無機(jī)材料，所以具有非常好的電子傳輸特性，比一般的金屬氧化物的高出一個數(shù)量級，所以將其運(yùn)用到有機(jī)太陽能電池中具有比較好的優(yōu)勢。但是氧化鋅也有一個缺點就是其應(yīng)用的化學(xué)穩(wěn)定性有點不好，特別的當(dāng)其運(yùn)用到有機(jī)太陽能電池的酸堿環(huán)境中，所以在應(yīng)用氧化鋅時，有機(jī)太陽能電池一定要注意，所以當(dāng)今對太陽能電池的研究中，對于氧化鋅的穩(wěn)定性研究是一個非常重要的方面，一旦能夠提高氧化鋅的化學(xué)穩(wěn)定性將會在有機(jī)太陽能電池中發(fā)揮更大的價值和具有更加廣泛的應(yīng)用。

第二種氧化鈦是一種有序的納米粒子，應(yīng)用于有機(jī)太陽能電池中最主要的作用就是能夠建設(shè)較好的電荷傳送途徑，就能夠?qū)﹄姾傻氖占蔬M(jìn)行提高，因為氧化鋅能夠大面積的與有機(jī)太陽能電池進(jìn)行接觸，接觸面積越大，對于電荷收集效率就會越有利。與氧化鋅相比，氧化鈦的化學(xué)穩(wěn)定性更加好，透光性能也比較好，雖然氧化鈦的電子傳輸性能還可以，但是沒有氧化鋅的好，由于氧化鋅不穩(wěn)定，所以當(dāng)前對于氧化鈦在有機(jī)太陽能電池中的應(yīng)用更加的廣泛。

2.1.4能級低的納米粒子

該類型的無機(jī)材料的主要作用就是對有機(jī)太陽能電池提高太陽能的轉(zhuǎn)化率，因為有機(jī)與無機(jī)體相結(jié)合使是會對無機(jī)物的波長進(jìn)行改變的。能級低的納米粒子在有機(jī)太陽能電池的使用位置為對光的吸收區(qū)域，放在該區(qū)域就能夠?qū)μ柲艿霓D(zhuǎn)化率進(jìn)行提高，還能夠?qū)d流子的復(fù)合量進(jìn)行減少。所以能級低的納米粒子應(yīng)用在有機(jī)太陽能電池中能提高對光的吸收率。

2.2作為陰極緩沖材料的應(yīng)用

有機(jī)太陽能電池其自身有一個很大的缺點就是穩(wěn)定性比較差，所以在使用過程中容易出現(xiàn)問題，為了解決這種穩(wěn)定性差的問題，可以將無機(jī)材料作為陰極緩沖材料，這樣就可以提高太陽能電池的問題性。這種提高穩(wěn)定性的原理是使用無機(jī)材料作為緩沖層，設(shè)置位置為電池有機(jī)層和陰極之間，這樣就可以當(dāng)做是兩者的接觸層，而不是讓電池有機(jī)層與陰極進(jìn)行直接的接觸，這樣就可以提高有機(jī)太陽能電池的穩(wěn)定性，減少電阻，保護(hù)有機(jī)層，最終可以達(dá)到對有機(jī)太陽能電池的壽命延長作用。作為有機(jī)太陽能電池的緩沖層的材料主要有三個種類，分別為氟化鋰、氧化錳和氧化鈦。下面將對其一一進(jìn)行介紹。

2.2.1氟化鋰

氟化鋰的主要作用就是對陰極層進(jìn)行裝飾作用，設(shè)置在陰極層的表面，還能夠?qū)﹃帢O層進(jìn)行保護(hù)。對陰極層進(jìn)行裝飾作用的原理是首先應(yīng)用氟化鋰在電池中，會降低有機(jī)太陽能電池中的A1的功函數(shù)，然后在陰極界面就會產(chǎn)生偶極子，它具有很好的擴(kuò)散性，能夠很快的擴(kuò)散到有機(jī)層中，于是對有機(jī)層進(jìn)行了一定的修飾作用。但是氟化鋰的厚度設(shè)置得不科學(xué)，也將會影響使用效果，所以在應(yīng)用氟化鋰時要能夠合理的對厚度進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，讓其發(fā)揮對有機(jī)太陽能電池中陰極層的保護(hù)作用。

2.2.2氧化錳

氧化錳的作用與氟化鋰一樣，其主要作用就是對有機(jī)太陽能電池的陰極層進(jìn)行保護(hù)與修飾的作用。其發(fā)生保護(hù)與修飾作用中需要運(yùn)用到真空蒸鍍法，然后讓氧化錳的效果達(dá)到更好。

2.2.3氧化鈦

氧化鈦作為陰極緩沖材料，其主要作用也是對陰極層進(jìn)行保護(hù)。因為在有機(jī)太陽能電池中應(yīng)用氧化鈦能夠讓空穴移動到陰極層中，于是起到保護(hù)的作用。在保護(hù)過程中氧化鈦的工作就是傳輸和收集電子，也可以當(dāng)?shù)诙?。氧化鈦采用的是串?lián)方式，且涂抹方式為旋涂，這樣可以讓氧化錳在有機(jī)太陽能電池中發(fā)揮更加好的效果。如圖3所示，它是由Hansel等人所研制的，該器件通過使用氧化鈦無機(jī)材料，能夠讓電子收集能力變大，還對解離激子效率[5]。

2.3在陽極緩沖層的應(yīng)用

有機(jī)太陽能電池中陽極緩沖層使用無機(jī)材料的最主要的作用就是修飾陽極[6]。作為修飾陽極緩沖層的無機(jī)材料類型和厚度不同，對有機(jī)太陽能電池的影響效果也是不一樣的。作為陽極緩沖層的無機(jī)材料一般會使用到以下三種材料，分別為三氧化鉬、三氧化鎢和氧化鎳，下面將介紹這三種無機(jī)材料在陽極緩沖層中的應(yīng)用表現(xiàn)。

2.3.1三氧化鉬

三氧化鉬在陽極緩沖層中有一個特殊的作用，就是專門應(yīng)用在電池的紅外線中，所以讓其具有特殊性，在紅外線中使用，可以對光的吸收率有一個很大的提高，對電池的能量轉(zhuǎn)化也會有一個很大的提高。

2.3.2三氧化鎢

三氧化鎢在陽極修飾層中能夠提高器件的效率。Han等人研究了三氧化鎢作用于陽極中的應(yīng)用效果，得出結(jié)論為通過使用三氧化鎢能夠?qū)ζ骷械妮d流子復(fù)合效率降低，是器件的效率能夠達(dá)到3.1%[7]。

2.3.3氧化鎳

氧化鎳在陽極修飾層中的主要作用就是保障了電池的工作效率。Steirer等人對ITO/PEDOT：PSS/P3HT：PCBM/Ca/A1器件進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)通過使用氧化鎳作為陽極修飾層，如圖4所示，然后再通過一系列的處理，最后得出使用氧化鎳能夠提高器件的性能，而且氧化鎳的厚度也會對器件產(chǎn)生影響，當(dāng)厚度為10納米時，器件的性能是最優(yōu)的[8]。

將無機(jī)材料應(yīng)用于電池中作為陽極緩沖材料不僅能對提高工作效率、修飾陽極層，還能夠防止電機(jī)與有機(jī)層中出現(xiàn)電化學(xué)現(xiàn)象，對載流子收集效率是由一個很大的提高?？偟膩碚f將無機(jī)材料應(yīng)用于有機(jī)太陽能電池中對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性是會有很大的提升。

3 結(jié)語

無機(jī)材料應(yīng)用于有機(jī)太陽能電池發(fā)揮的作用有很多，不同的無機(jī)材料的作用不一樣，通過使用無機(jī)材料，讓合適的無機(jī)材料運(yùn)用到電池合適的地方，能夠提高有機(jī)太陽能電池的光能轉(zhuǎn)化效率，能夠讓電池運(yùn)行得更加穩(wěn)定，更有助于電池在當(dāng)今社會的發(fā)展。隨著將來我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，無機(jī)材料的應(yīng)用效果將會更加的明顯，目前，對于無機(jī)材料的開發(fā)還只是一部分，如果能夠開發(fā)出無機(jī)材料的全部優(yōu)勢，然后將其運(yùn)用于有機(jī)太陽能電池中，對社會的作用將會更大，人民的生活將會更加美滿。

參考文獻(xiàn)

[1]密保秀，高志強(qiáng)，鄧先宇，黃維.基于有機(jī)薄膜的太陽能電池材料與器件研究進(jìn)展[J].中國科學(xué)（B輯：化學(xué)），2008（11）：957-975.

[2]謝小銀，劉冠辰，李祥，等.有機(jī)異質(zhì)結(jié)太陽能電池研究進(jìn)展[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報，2013，30（5）：1-4.

[3]王穎斐.淺談無機(jī)材料在有機(jī)太陽能電池中的應(yīng)用[J].科學(xué)大眾（科學(xué)教育），2016（09）：185.

[4]Xiaoxia Jiang， Fei Chen， Hao Xu， et al.Template-free synthesis of vertically aligned CdS nanorods and itsapplication in hybrid solar cells[J]. Solar Energy Materi-als and Solar Cells， 2009， 94（2）：338-344.

[5]H.H?nsel， H.Zettl， G.Krausch， R.Kisselev， M. Thelak-kat，H.-W.Schmidt.Optical and Electronic Contributionsin Double-Heterojunction Organic Thin-Film Solar Cells[J].Advanced Materials， 2003， 15（24）：2056-2060.

[6]喬建坤.有機(jī)/無機(jī)雜化光伏器件及其電極的修飾[D].大連：大連理工大學(xué)，2015.

[7]Seungchan Han， Won Suk Shin， Myungsoo Seo， DiptiGupta， Sang-Jin Moon， Seunghyup Yoo.lmproving perfor-mance of organic solar cells using amorphous tungstenoxides as an interfacial buffer layer on transparent an-odes[J]. Organic Electronics， 2009， 10（5）：791-797.

[8]K.Xerxes Steirer， Jordan P.Chesin， N.Edwin Wid-jonarko， Joseph J.Berry， Alex Miedaner， David S.Ginley，Dana C.Olson.Solution deposited Nio thin-films as holetransport layers in organic photovoltaics[J].Organic Elec-tronics， 2010， 11（8）：1414-1418.