有機(jī)太陽(yáng)能電池產(chǎn)品特點(diǎn)

有機(jī)太陽(yáng)能電池作為新型太陽(yáng)能電池器件，具備柔性、質(zhì)量輕、顏色可調(diào)、可溶液加工、大面積印刷制備等特點(diǎn)，是目前太陽(yáng)能電池研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。但是效率低是限制其大規(guī)模應(yīng)用的主要原因。

1 有機(jī)太陽(yáng)能電池的原理

有機(jī)太陽(yáng)能電池以具有光敏性質(zhì)的有機(jī)物作為半導(dǎo)體的材料，以光伏效應(yīng)而產(chǎn)生電壓形成電流。主要的光敏性質(zhì)的有機(jī)材料均具有共軛結(jié)構(gòu)并且有導(dǎo)電性，如酞菁化合物、卟啉、菁（cyanine）等。

2 有機(jī)太陽(yáng)能電池的幾種結(jié)構(gòu)

有機(jī)太陽(yáng)能電池按照半導(dǎo)體的材料可以分為單質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、P-N 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、染料敏化納米晶結(jié)構(gòu)。

3 單質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)

單質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是以Schotty 勢(shì)壘為基礎(chǔ)原理而制作的有機(jī)太陽(yáng)能電池。其結(jié)構(gòu)為玻璃/金屬電極/染料/金屬電極，利用了兩個(gè)電極的功函不同，可以產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，電子從低功函的金屬電極傳遞到高功函電極從而產(chǎn)生光電流。由于電子—空穴均在同一種材料中傳遞，所以其光電轉(zhuǎn)化率比較低。

4 P—N 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)P-N 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是指這種結(jié)構(gòu)具有給體-受體（N 型半導(dǎo)體與P 型半導(dǎo)體）的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖5。其中半導(dǎo)體的材料多為染料，如酞菁類(lèi)化合物、苝四甲醛亞胺類(lèi)化合物，利用半導(dǎo)體層間的D/A界面（Donor——給體，Acceptor——受體）以及電子—空穴分別在不同的材料中傳遞的特性，使分離效率提高。Elias Stathatos 等人結(jié)合無(wú)機(jī)以及有機(jī)化合物的優(yōu)點(diǎn)制得的太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化率在5%~6%。

5 NPC( nanocrystaline photovoltaic cell)染料敏化納米晶

染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）主要是指以染料敏化的多空納米結(jié)構(gòu)TiO2 薄膜為光陽(yáng)極的一類(lèi)太陽(yáng)能電池。它是仿生植物葉綠素光合作用原理的太陽(yáng)能電池。而NPC 太陽(yáng)能電池可選用適當(dāng)?shù)难趸€原電解質(zhì)從而使光電效率提高，一般可穩(wěn)定于10%，并且納米晶TiO2 制備簡(jiǎn)便，成本低廉，壽命可觀，具有不錯(cuò)的市場(chǎng)前景。

已知太陽(yáng)光照射到地球上的平均能量密度為1376W/平方米，假設(shè)能量轉(zhuǎn)化率已達(dá)到為30%。城市每個(gè)三口之家每天的平均用電量為3kw·h，平均太陽(yáng)光照時(shí)間4h，則只需不足2 平方米太陽(yáng)能電池板即可為之提供充足的電力。另一方面，家庭電路最大熔斷電流一般在20A 左右，最大瞬時(shí)功率4400W。達(dá)到此瞬時(shí)功率只需10 平方米左右的太陽(yáng)能電池板即可。

工廠、學(xué)校的等大型耗電場(chǎng)所則依靠水利、風(fēng)力發(fā)電、核能發(fā)電等途徑獲得電力。這種多層次的供電體系既可以保證社會(huì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，也充分利用了清潔能源。

由上述計(jì)算我們也以大致看出，太陽(yáng)能電池只能作為輔助能源，而不能作為主要能源使用。因?yàn)樘?yáng)能雖然總量很大，但受場(chǎng)地及成本等因素限制不可能達(dá)到很高的功率，難以滿足高耗電場(chǎng)所的電力需求，而且太陽(yáng)能受天氣情況等因素影響較大，并不十分穩(wěn)定，所以利用它做主要能源是不現(xiàn)實(shí)的。

中國(guó)對(duì)太陽(yáng)能電池的研究起步于1958年，20世紀(jì)80年代末期，國(guó)內(nèi)先后引進(jìn)了多條太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線，使中國(guó)太陽(yáng)能電池生產(chǎn)能力由原來(lái)的3個(gè)小廠的幾百kW一下子提升到4個(gè)廠的4.5MW，這種產(chǎn)能一直持續(xù)到2002年，產(chǎn)量則只有2MW左右。2002年后，歐洲市場(chǎng)特別是德國(guó)市場(chǎng)的急劇放大和無(wú)錫尚德太陽(yáng)能電力有限公司的橫空出世及超常規(guī)發(fā)展給中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇和示范效應(yīng)。

中國(guó)已成為全球主要的太陽(yáng)能電池生產(chǎn)國(guó)。2006年全國(guó)太陽(yáng)能電池的產(chǎn)量為438MW，2007年全國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)量為1188MW。中國(guó)已經(jīng)成超越歐洲、日本為世界太陽(yáng)能電池生產(chǎn)第一大國(guó)。2008年的產(chǎn)量繼續(xù)提高，達(dá)到了200萬(wàn)千瓦。

中國(guó)光伏電池產(chǎn)量年增長(zhǎng)速度為1-3倍，光伏電池產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的比例也由2002年1.07%增長(zhǎng)到2008年的近15%。商業(yè)化晶體硅太陽(yáng)能電池的效率也從13%-14%提高到16%-17%。總體來(lái)看，中國(guó)太陽(yáng)能電池的國(guó)際市場(chǎng)份額和技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力大幅提高。在產(chǎn)業(yè)布局上，中國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成了一定的集聚態(tài)勢(shì)。在長(zhǎng)三角、環(huán)渤海、珠三角、中西部地區(qū)，已經(jīng)形成了各具特色的太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)集群。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要席位，不但要替代部分常規(guī)能源，而且將成為世界能源供應(yīng)的主體。預(yù)計(jì)到2030年，可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占到30%以上，而太陽(yáng)能光伏發(fā)電在世界總電力供應(yīng)中的占比也將達(dá)到10%以上；到2040年，可再生能源將占總能耗的50%以上，太陽(yáng)能光伏發(fā)電將占總電力的20%以上；到21世紀(jì)末，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中將占到80%以上，太陽(yáng)能發(fā)電將占到60%以上。這些數(shù)字足以顯示出太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略地位。由此可以看出，太陽(yáng)能電池市場(chǎng)前景廣闊。

太陽(yáng)能電池主要包括晶體硅電池和薄膜電池兩種，它們各自的特點(diǎn)決定了它們?cè)诓煌瑧?yīng)用中擁有不可替代的地位。但是，未來(lái)10年晶體硅太陽(yáng)能電池所占份額盡管會(huì)因薄膜太陽(yáng)能電池的發(fā)展等原因而下降，但其主導(dǎo)地位仍不會(huì)根本改變；而薄膜電池如果能夠解決轉(zhuǎn)換效率不高、制備薄膜電池所用設(shè)備價(jià)格昂貴等問(wèn)題，會(huì)有巨大的發(fā)展空間。

有機(jī)這個(gè)概念貌似很新，但其實(shí)它的歷史也不短——跟硅基太陽(yáng)能電池的歷史差不多。第一個(gè)硅基太陽(yáng)能電池是貝爾實(shí)驗(yàn)室在1954年制造出來(lái)的，它的太陽(yáng)光電轉(zhuǎn)化效率接近6%；而第一個(gè)有機(jī)光電轉(zhuǎn)化器件是由Kearns和Calvin在1958年制備的，其主要材料為鎂酞菁（MgPc）染料，染料層夾在兩個(gè)功函數(shù)不同的電極之間。在那個(gè)器件上，他們觀測(cè)到了200 mV的開(kāi)路電壓，光電轉(zhuǎn)化效率低得讓人都不好意思提。起步之初就高下立判哪。

此后二十多年間，有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域內(nèi)創(chuàng)新不多，所有報(bào)道的器件之結(jié)構(gòu)都類(lèi)似于1958年版，只不過(guò)是在兩個(gè)功函數(shù)不同的電極之間換用各種有機(jī)半導(dǎo)體材料。此類(lèi)器件的原理如圖1所示：有機(jī)半導(dǎo)體內(nèi)的電子在光照下被從HOMO能級(jí)激發(fā)到LUMO能級(jí)，產(chǎn)生一對(duì)電子和空穴。電子被低功函數(shù)的電極提取，空穴則被來(lái)自高功函數(shù)電極的電子填充，由此在光照下形成光電流。理論上，有機(jī)半導(dǎo)體膜與兩個(gè)不同功函數(shù)的電極接觸時(shí)，會(huì)形成不同的肖特基勢(shì)壘。這是光致電荷能定向傳遞的基礎(chǔ)。因而此種結(jié)構(gòu)的電池通常被稱(chēng)為“肖特基型有機(jī)太陽(yáng)能電池”。

1986年，行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了一個(gè)里程碑式的突破。實(shí)現(xiàn)這個(gè)突破的是位華人，柯達(dá)公司的鄧青云博士。這個(gè)時(shí)代的有機(jī)太陽(yáng)能電池所采用的有機(jī)材料，主要還是具有高可見(jiàn)光吸收效率的有機(jī)染料。這些染料通常也被用作感光材料，這自然是柯達(dá)的強(qiáng)項(xiàng)。鄧青云的器件之核心結(jié)構(gòu)是由四羧基苝的一種衍生物（鄧?yán)瞎芩蠵V）和銅酞菁（CuPc）組成的雙層膜。雙層膜的本質(zhì)是一個(gè)異質(zhì)結(jié)，鄧?yán)系乃悸肥怯脙煞N有機(jī)半導(dǎo)體材料來(lái)模仿無(wú)機(jī)異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池。他制備的太陽(yáng)能電池，光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到1%左右。雖然還是跟硅電池差得很遠(yuǎn)，但相對(duì)于以往的肖特基型電池卻是一個(gè)很大的提高。這是一個(gè)成功的思路，為有機(jī)太陽(yáng)能電池研究開(kāi)拓了一個(gè)新的方向，時(shí)至今日這種雙層膜異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)仍然是有機(jī)太陽(yáng)能電池研究的重點(diǎn)之一。

雙層膜異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)如概述圖所示。作為給體的有機(jī)半導(dǎo)體材料吸收光子之后產(chǎn)生空穴－電子對(duì)，電子注入到作為受體的有機(jī)半導(dǎo)體材料后，空穴和電子得到分離。在這種體系中，電子給體為p型，電子受體則為n型，從而空穴和電子分別傳輸?shù)絻蓚€(gè)電極上，形成光電流。與前述“肖特基型”電池相比，此種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于引入了電荷分離的機(jī)制。與硅半導(dǎo)體相比，有機(jī)分子之間的相互作用要弱得多，不同分子之間的LUMO和HOMO并不能通過(guò)組合在整個(gè)體相中形成連續(xù)的導(dǎo)帶和價(jià)帶。載流子在有機(jī)半導(dǎo)體中的傳輸，需要經(jīng)由電荷在不同分子之間的“跳躍”機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn)，宏觀的表現(xiàn)就是其載流子遷移率要比無(wú)機(jī)半導(dǎo)體低得多。同時(shí)，有機(jī)小分子吸收光子而被激發(fā)時(shí)，不能像硅半導(dǎo)體那樣在導(dǎo)帶中產(chǎn)生自由電子并在價(jià)帶中留下空穴。光激發(fā)的有機(jī)小分子，產(chǎn)生的是通過(guò)靜電作用結(jié)合在一起的空穴－電子對(duì)，也就是通常所說(shuō)的“激子（Exciton）”。激子的存在時(shí)間有限，通常在毫秒量級(jí)以下，未經(jīng)徹底分離的電子和空穴會(huì)復(fù)合（Recombination），釋放出其吸收的能量。顯然，未能分離出自由電子和空穴的激子，對(duì)光電流是沒(méi)有貢獻(xiàn)的。以故有機(jī)半導(dǎo)體中激子分離的效率對(duì)電池的光電轉(zhuǎn)化效率有關(guān)鍵的影響。

對(duì)于肖特基型電池來(lái)說(shuō)，激子的分離效率卻很成問(wèn)題。光激發(fā)形成的激子，只有在肖特基結(jié)的擴(kuò)散層內(nèi)，依靠節(jié)區(qū)的電場(chǎng)作用才能得到分離。其它位置上形成的激子，必須先移動(dòng)到擴(kuò)散層內(nèi)才可能形成對(duì)光電流的貢獻(xiàn)。但是有機(jī)染料內(nèi)激子的遷移距離相當(dāng)有限，通常小于10納米。所以大多數(shù)激子在分離成電子和空穴之前就復(fù)合掉了。在有機(jī)電池中引入異質(zhì)結(jié)的結(jié)果，則是明顯的提高了激子分離的效率。電子從受激分子的LUMO能級(jí)注入到電子受體的LUMO能級(jí)，此過(guò)程本質(zhì)上就是激子的分離。兩層有機(jī)膜之間的界面不是平整的。在制備過(guò)程（熱蒸發(fā)－沉積，或者溶液旋涂法）兩層膜總會(huì)形成一種互穿的結(jié)構(gòu)，從而界面有較大的面積。在給體材料的體相中產(chǎn)生的激子，通過(guò)擴(kuò)散可以較容易地到達(dá)兩種材料的界面，將電子注入受體材料的LUMO能級(jí)以實(shí)現(xiàn)電荷分離。同時(shí)，許多研究表明，受體材料亦可以吸收相應(yīng)頻率的光子形成激子，再將其HOMO能級(jí)上的空穴反向注入到給體材料的HOMO能級(jí)中。因此，激子可以同時(shí)在雙層膜的界面兩側(cè)形成，再通過(guò)擴(kuò)散在界面上得到分離?？傊鄬?duì)于肖特基型電池，采用給體－受體雙層膜結(jié)構(gòu)可以顯著地提高激子的分離效率。

到了1992年，土耳其人Sariciftci（讀作薩利奇夫奇）在美國(guó)發(fā)現(xiàn)，激發(fā)態(tài)的電子能極快地從有機(jī)半導(dǎo)體分子注入到C60分子（其結(jié)構(gòu)如圖3）中，而反向的過(guò)程卻要慢得多。也就是說(shuō)，在有機(jī)半導(dǎo)體材料與C60的界面上，激子可以以很高的速率實(shí)現(xiàn)電荷分離，而且分離之后的電荷不容易在界面上復(fù)合。這是由于C60的表面是一個(gè)很大的共軛結(jié)構(gòu)，電子在由60個(gè)碳原子軌道組成的分子軌道上離域，可以對(duì)外來(lái)的電子起到穩(wěn)定作用。因此C60是一種良好的電子受體材料。1993年，Sariciftci在此發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上制成PPV/C60雙層膜異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池。PPV通常叫作“聚對(duì)苯乙烯撐”，是一種導(dǎo)電聚合物（關(guān)于導(dǎo)電聚合物將另文詳述），也是一種典型的P型有機(jī)半導(dǎo)體材料。此后，以C60為電子受體的雙層膜異質(zhì)結(jié)型太陽(yáng)能電池層出不窮。

隨后，研究人員在此類(lèi)太陽(yáng)能電池的基礎(chǔ)上又提出了一個(gè)重要的概念：混合異質(zhì)結(jié)（體異質(zhì)結(jié)）?！盎旌袭愘|(zhì)結(jié)（體異質(zhì)結(jié)）”的英文寫(xiě)作“Bulk Heterojunction”，這里是我自己的譯法，感覺(jué)意思上還算準(zhǔn)確?！盎旌袭愘|(zhì)結(jié)（體異質(zhì)結(jié)）”概念主要針對(duì)光電轉(zhuǎn)化過(guò)程中激子分離和載流子傳輸這兩方面的限制。雙層膜太陽(yáng)能電池中，雖然兩層膜的界面有較大的面積，但激子仍只能在界面區(qū)域分離，離界面較遠(yuǎn)處產(chǎn)生的激子往往還沒(méi)移動(dòng)到界面上就復(fù)合了。而且有機(jī)材料的載流子遷移率通常很低，在界面上分離出來(lái)的載流子在向電極運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中大量損失。這兩點(diǎn)限制了雙層膜電池的光電轉(zhuǎn)化效率。

而所謂“混合異質(zhì)結(jié)”，就是將給體材料和受體材料混合起來(lái)，通過(guò)共蒸或者旋涂的方法制成一種混合薄膜。給體和受體在混合膜里形成一個(gè)個(gè)單一組成的區(qū)域，在任何位置產(chǎn)生的激子，都可以通過(guò)很短的路徑到達(dá)給體與受體的界面（即結(jié)面），從而電荷分離的效率得到了提高。同時(shí)，在界面上形成的正負(fù)載流子亦可通過(guò)較短的途徑到達(dá)電極，從而彌補(bǔ)載流子遷移率的不足。符合要求的電極應(yīng)當(dāng)是選擇性的電極。也就是說(shuō)，當(dāng)給體與負(fù)極接觸時(shí)，給體不能把空穴傳輸給負(fù)極。在混合異質(zhì)結(jié)中，像這樣的接觸事實(shí)上是避免不了的。

此種結(jié)構(gòu)最理想狀態(tài)自然是所有的給體相都能與正極接觸，同時(shí)所有的受體相都能與負(fù)極接觸。在非理想狀態(tài)下，未能與正極接觸的給體相上出現(xiàn)的正電荷是不能傳輸?shù)诫姵氐恼龢O上的，因而這種結(jié)構(gòu)亦非盡善盡美。不過(guò)相對(duì)于雙層膜電池，此種結(jié)構(gòu)的效率提高亦相當(dāng)明顯，目前有機(jī)太陽(yáng)能電池中的最高效率紀(jì)錄仍由混合異質(zhì)結(jié)型電池保持。

有機(jī)功能薄膜的形貌結(jié)構(gòu)是影響有機(jī)太陽(yáng)能電池(OPV)光電轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要因素，為了控制有機(jī)太陽(yáng)能電池中光電功能薄膜的生長(zhǎng)及薄膜的形貌，于2010年立項(xiàng)的本項(xiàng)目提出以“結(jié)構(gòu)化”襯底而提高有機(jī)太陽(yáng)能電池的性能概念。國(guó)際上在最近幾年，納米結(jié)構(gòu)化有機(jī)太陽(yáng)能電池（nanostructured organic solar cells）得到迅速發(fā)展（2011-2012年，在Advanced Materials 2011, 23, 1810-1828和ACS Nano 2012, 6, 2877-2892上有綜述性論文發(fā)表），本項(xiàng)目探討了以下的技術(shù)方法制備結(jié)構(gòu)化的襯底而控制有機(jī)薄膜的生長(zhǎng)：（1）采用光刻技術(shù)在ITO（導(dǎo)電透明薄膜）襯底上制備周期性結(jié)構(gòu)，（2）在ITO襯底上選擇性地制備緩沖層，（3）在ITO襯底上自組裝納米球模板，并以納米球?yàn)槟０鍖?duì)ITO而進(jìn)行納米刻蝕。其中，方法（1）沒(méi)有達(dá)到顯著提到有機(jī)太陽(yáng)能電池的性能，這可能是由于所制備的周期性結(jié)構(gòu)尺寸較大（大約1 微米）；方法（2）采用Sb2O3作為電池的陽(yáng)極緩沖層，改善了有機(jī)薄膜CuPc的生長(zhǎng)模式；不同方法（1）的光刻技術(shù)，方法（3）采用在ITO上旋涂聚苯乙烯納米球（100 nm）作為刻蝕ITO襯底的模板，從而在ITO襯底上制備了較精細(xì)的結(jié)構(gòu)，這結(jié)構(gòu)進(jìn)一步誘導(dǎo)有機(jī)功能薄膜(如P3HT:PCBM)的生長(zhǎng)。由于方法（2）和（3）能夠控制有機(jī)薄膜的形貌結(jié)構(gòu)，所以能夠較顯著地提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率，分別提高了34%和15%。本項(xiàng)目也探討了在ITO襯底上制備Au納米球，通過(guò)表面等離子共振效應(yīng)（surface Plasmon resonance）而達(dá)到提高電池光電性能，光電轉(zhuǎn)換效率可以獲得10%-20%的提高。同時(shí)，本項(xiàng)目對(duì)二維納米材料也展開(kāi)了研究。共發(fā)表被SCI收錄的論文21篇（包括Chemical Reviews（5年期影響因子為42.054）和Nature子刊Scientific Reports各一篇），包括影響因子大于7的4篇；國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利8項(xiàng)（已授權(quán)5項(xiàng)），國(guó)際專(zhuān)利2項(xiàng)；培養(yǎng)研究生3名。