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有机太阳能电池应用前景展望.pdf

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有机太阳能电池应用前景展望.pdf

能源研究与管理 2010 4 综合论述环境污染和能源危机是人类在 21 世纪面临的巨大挑战,寻找一种清洁的可再生的新能源已迫在眉睫 。 太阳能是一种理想的新能源,清洁 、 干净 、 无污染,其储量巨大,取之不尽,用之不竭,充满了诱人的前景 。 将太阳能转换为电能是解决环境污染和能源危机的重要途径之一,因此各类太阳能电池的研发和推广在世界各国备受关注 。 在目前商品化的太阳能电池市场中,尽管无机晶体硅太阳能电池占据主导地位,但有机太阳能电池因其独特的优势已成为太阳能电池研发的重要方向之一 。1 有机太阳能电池的定义及分类有机太阳能电池是以有机半导体材料作为光电转换材料直接或间接将太阳能转变为电能的器件 。有机半导体材料主要包括有机高分子材料 、 有机小分子材料,从广义的角度来说,凡是涉及有机半导体材料的太阳能电池都可称为有机太阳能电池 。 各类有机太阳能电池的激子分离和电荷传输的机理具有很大的不同,因而有机材料在该类电池中的作用也有很大差别 。 按照结构和光伏机理,有机太阳能电池可分为肖特基有机电池 、 异质结有机电池和染料敏化电池;按照使用材料的物理状态,有机太阳能电池也可分为染料敏化电池和全固态有机太阳能电池,全固态有机太阳能电池又可以分为有机小分子太阳能电池和有机聚合物太阳能电池 。肖特基电池是最早期的有机太阳能电池,即在真空条件下把有机半导体染料如酞菁等蒸镀在基板上形成夹心式单层结构 。 对于肖特基型电池而言,摘 要太阳能是可再生的巨大能源,充分利用太阳能是解决能源危机的重要途径之一 。 有机太阳能电池是实现将太阳能直接转变为电能的最有前景的器件之一 。 文章综述了有机太阳能电池的基本原理和应用,特别讨论了造成有机太阳电池性能低下的原因,并介绍了有机太阳电池的最新进展 。关键词有机太阳能电池;转换效率;低成本中图分类号 TM615; TM914.4 文献标识码 A 文章编号 1005- 7676 ( 2010) 04- 0001- 03Prospect on Organic Solar CellLIU Xiao- qing , WANG Li( Department of Physics, Collegeof Science,Nanchang University Nanchang 330031 Jiangxi China)Abstract Utilizing solar energy,a renewablemassiveenergy, hasbeen widely consideredto be oneof feasible waysto solve thecurrent energycrisis. Organicsolar cell is oneof the mostpromising deviceswhich can transfer solar energyto electricity directly.Thebasis principle and application of organicsolar cell are reviewed,and the limits to obstruct the application of organic solar cellarediscussed,and the latest progresseson organicsolar cell are introduced.Key words Organic solar cell; Transferefficiency; Low cost有机太阳能电池应用前景展望刘小青,王 立( 南昌大学理学院物理系 南昌 330031)投稿时间 2010- 09- 25作者简介刘小青 ( 1973 -) 女,江西师范大学研究生毕业,现为南昌大学理学院讲师 。1 能源研究与管理 2010 4 综合论述光激发形成的激子,在肖特基结的扩散层内被节区的电场驱使下实现正负电荷分离;在器件中其它位置上形成的激子,必须先移动到扩散层内才可能形成对光电流的贡献,而有机染料内激子的迁移距离相当有限,通常 < 10 nm,因此大多数激子在分离成电子和空穴之前就发生了复合,导致该类器件的光电转换效率较低 。异质结有机太阳能电池分为双层异质结电池 、体异质结太阳能电池和扩散双层异质结电池等几种较常见的结构,其中体异质结太阳能电池是目前有机聚合物太阳能电池研究中最主要的器件结构 。 体异质结结构简单说就是将施主材料和受主材料混合分布在同一层中,从而大大增加了施主 / 受主界面的面积,使得激子能够运动非常短的距离就可以得到有效分离 。 另一方面,将两种材料混合在一起之后,若其中一种材料具有良好的成膜性,则可通过旋涂 、 喷墨打印等方式制备活性层,不需真空过程,可很大程度上简化器件的制备过程,大幅降低器件成本 。染料敏化太阳能电池主要是模仿光合作用原理,以 TiO2, ZnO, SnO2 等宽禁带的氧化物型纳米级半导体为电极,使用染料敏化 、 无机窄禁带半导体敏化 、 过渡金属离子掺杂敏化 、 有机染料 / 无机半导体复合敏化以及 TiO2 表面沉积贵金属等方法制成的太阳能电池 。 目前染料敏化太阳能电池的效率已经 > 11,这种电池的突出优点是原材料丰富 、 成本低 、 工艺技术相对简单,在大面积工业化生产中具有较大的优势,同时所有原材料和生产工艺都是无毒 、 无污染的,部分材料可以得到充分的回收,对保护人类环境具有重要的意义 。 但是由于其有源层呈液态,易泄漏 、 易结晶,故人们的研究方向逐步转向全固态有机太阳能电池,即以酞菁 、 卟琳 、芘 、 叶绿素等为基体材料的有机小分子太阳能电池和以有机聚合物为基体材料的有机聚合物太阳能电池 。 而按照有机半导体层材料的差别,全固态有机太阳能电池又可分单层 ( 单一有机或聚合物材料 )结构 、 双层 ( 给体,受体 ) 异质结结构和本体 ( 给体 / 受体共混 ) 异质结结构 。 最初的全固态有机太阳能电池都是单层结构,即肖特基电池;双层和本体 ( 给体 / 受体共混 ) 异质结结构即上面所提到的异质结太阳能电池 。2 有机太阳能电池的优势及劣势目前商品化的太阳能电池市场中,无机晶体硅太阳能电池占据主导地位 。 但是,由于晶体硅太阳能电池加工工艺非常复杂,材料要求苛刻且不易进行大面积柔性加工,以及某些材料具有毒性,大规模使用会受到成本和资源分布的限制等问题,此类太阳能电池大规模普及化应用受到了强烈制约 。 改善太阳能电池的性能,降低制造成本以及减少大规模生产对环境造成的影响是未来太阳能电池发展的主要方向 。 相对于无机太阳能电池,有机太阳能电池具有如下优点( 1) 与无机太阳能电池使用的材料相比,有机半导体材料的原料来源广泛易得 、 廉价,环境稳定性高,有良好的光伏效应 、 材料质量轻 、 较高的吸收系数 ( 通常 > 105 cm- 1) 、 有机化合物结构可设计且制备提纯加工简便 、 加工性能好,易进行物理改性等;( 2) 有机太阳能电池制备工艺更加灵活简单,可采用真空蒸镀或涂敷的办法制备成膜,还可采用印刷或喷涂等方式,生产中的能耗较无机材料更低,生产过程对环境无污染,且可在柔性或非柔性衬底上加工,具有制造面积大 、 超薄 、 廉价 、 简易 、 良好柔韧性等特点;( 3) 有机太阳能电池产品是半透明的,便于装饰和应用,色彩可选 。 在有机太阳能电池的众多优点中,最具竞争力的优势就是生产成本低廉 。 随着新材料的不断开发和相关技术的发展,有机太阳能电池正愈来愈显示出诱人的市场前景 。目前有机太阳电池的转换效率较低且寿命短,尚未进入使用阶段,存在着载流子迁移率低 、 结构无序 、 高的体电阻以及电池的耐久性差等问题,造成有机太阳能电池性能低下的原因主要有( 1) 由于有机材料分子间相互作用力很弱,大都为无定型,即使有结晶度,也是无定型与结晶形态的混合,光照射后生成的光生载流子主要在分子内的共轭价键上运动,电荷的传输是通过载流子在相邻的分子态之间进行跳跃实现的,导致了有机材料的载流子迁移率一般都很低,与无机材料相比要低若干个量级,这对有机半导体器件的效率有较大影响;( 2) 有机半导体材料吸收太阳光波段不宽,绝大部分材料最大吸收波段在 350nm~ 650 nm,而地球表面可吸收的太阳光的能量主要分布在 600nm~800 nm,因此吸收光谱与太阳光光谱不匹配,导致光电转换效率低;如果通过增加激活层的厚度来提高光的吸收,但同时也会使器件的串联电阻增大,2 能源研究与管理 2010 4 激子和载流子的迁移距离增加,短路电流减小,从而导致光电转换效率较低;( 3) 有机半导体在吸收太阳光后会产生束缚的空穴 - 电子对 “ 激子 ” ,激子的分离与迁移并非全部有效,首先其扩散距离短,通常仅约为 10 nm,其次激子分离后产生的电子和空穴在一般有机材料中的传输速率不高,传输的过程中往往会受到电子和空穴复合的影响,并且电子和空穴传输到电极表面进入电极时通常要克服一个势垒,这样激子在半导体薄膜的迁移过程中就不可避免的存在着激子复合的损失,一般仅离边界或结点最近的激子才会产生光伏电流,使得有机太阳能电池实际转化效率低下;( 4) 有机半导体材料在有氧和水存在的条件下往往是不稳定的 。 有机太阳能电池面临的关键问题是低效率和短寿命,转换效率的提高 、 电极的改进 、器件结构的改进 、 载流子传输层的加入 、 器件的后期处理 、 有效光子俘获机制以及新材料的开发等等问题尚需进一步研究,但是在世界各国研究人员的努力下,有机太阳能电池正在向能量转换效率的提升 、 组件寿命的延长及发展低成本制造技术的目标前进 。3 有机太阳能电池的应用前景有机太阳能电池最近几年发展迅速,相关科学理论与制造工艺已取得了长足的进步,产业化的突破已现曙光 。2010 年 8 月,剑桥大学 Yana Vaynzof 等人在 应用物理快报 中报道 “ 用单层自组织分子膜来修改界面大约能提高电荷分解效率近 100% ,这种分子修改可改变界面的能级排列 。 入射光在界面附近处被吸收后形成大量激子,这些正负电荷然后被相互驱离,很象两个球从山的两侧滚下相互越滚越远 。 ” 该项研究结果对有机太阳能电池产业有重大影响,它为该领域内具有良好光吸收和导电性的共轭聚合物但却电荷分解能力差这个很重要的问题提供了一个有效的解决办法 。美国研究人员斯特拉诺在 2010 年 9 月 5 日出版的 自然 化学 杂志上公布了最新研究成果,通过从植物中提取出可进行光合作用的蛋白质以及具有黏附性的磷酸酯 、 具有良好电学性能的碳纳米管等化合物,研发出了能够模拟植物光合作用机制进行自我组装的太阳能电池,新电池具有良好的自我修复能力,有望大幅延长太阳能电池的使用寿命 。2010 年 9 月,美国能源部下属研究所国家可再生能源实验室的研究员 David Ginley 出席在日本长崎大学举行的第 71 届应用物理学会学术演讲会时指出, “ 从目前的有机薄膜太阳能电池转换效率来看,单元超过了 8% ,模块提高到了 4% 。 寿命正在接近1 万 h。 单元转换效率达到 10%~ 12% 的可能性已经出现,将来还有望实现转换效率 > 15% 、 寿命延长至 10 a 的目标 ” 。 另外, Ginley 认为有机太阳能电池劣化较快的原因之一在于有机薄膜太阳能电池普遍采用的空穴输送材料 ( HTL) PEDOT PSS聚乙撑二氧噻吩 / 聚苯乙烯磺酸 ,并表示已经找到了能够 替 代 的 材 料 。 在 利 用 名 为 I-TO/NiO/PCDTBT/PCBM/Ca/Al 的元件构造试制了面积为 1 cm2 的太阳能电池后表明,转换效率达到了6.7% ; 以 氧 化 镍 和 PCDTBT [N- 9- heptadecanyl-2,7- carbazole-alt- 5,5- 4,7- di- 2- thienyl- 2,1,3- benzoth-iadiazole]替代 PEDOT PSS和 P3HT 时,转换效率为 5.7% 。2010 年 10 月,美国罗格斯大学研究人员波德兹瑞福等在 自然 材料学 杂志发表论文指出,激子在超纯净的晶体有机半导体红荧烯中的扩散距离可达到 2~ 8 微米,这是科学家首次观察到激子在有机半导体中可行进几微米,是以前观测到的 1 000多倍,与制备无机太阳能电池的硅 、 砷化镓等材料中万尼尔 Wannier激子的距离相媲美 。 该项实验观测表明激子扩散的障碍不是有机半导体的固有障碍,该项新发现有望使有机太阳能电池的成本更低 、 光伏转换效率得到有效提高,取代硅基太阳能电池 。无数科研工作者试图完善太阳能电池的设计,改善太阳能电池的性能,他们为制造出成本低 、 光电转换效率最高 、 寿命长的有机太阳能电池前赴后继,一般认为, 7的转换效率将是有机太阳能电池大规模商用的临界点 。 与具有 24光电转换效率的传统太阳能电池相比,有机太阳能电池的优点在于造价低廉, 1 W 的制造费用低于传统光电池,这就是它所具有的竞争力 。 成本低 、 效率高 、 工艺简单的有机太阳能电池在将来的商业化普及是必然的,它将成为世界能源中重要的有生力量 。参考文献[ 1 ][ 2 ]G. Chidichimo, L. Filippelli. Organic SolarCellsProblems and Perspec-tives[J].International Journal of Photoenergy, Vol.2010,Article ID 123534,11 pages.G.Yu,J.Gao,J.C.Hummelen, et al.Polymer Photovoltaic CellsenhancedEfficiencies Via a Network of Internal Donor- acceptor Heterojunctions综合论述( 下转第 16 页 )3 能源研究与管理 2010 4 综合论述发展必须有人才和技术为基础 。 目前,发达国家都建立了比较完善的可再生能源技术研究开发机构,形成了比较完善的产业服务体系 。 如美国可再生能源国家实验室,欧盟的联合研究中心,都是政府专门负责可再生能源研究和开发的机构 。 生物质能源人才能力的建设,技术研发和创新是可再生能源发展的关键,加强技术人员培训和相关能力建设,是落实国家能源战略目标的重要步骤 。 为此,可以采取在主要综合大学 、 重要的工程技术院校和技工院所等开设生物质能源技术课程和中短期技能培训计划,迅速培养一批中高水平的工程技术人才;其次,整合现有可再生能源研究队伍,组建国家可再生能源研究中心,围绕我国 “ 十一五 ” 国家能源战略目标,组织专家学者进行技术攻关,夯实可再生能源发展的研发基础 。 同时,通过示范工程的建设,积极推动生物质能源原料种养的试验示范工作,扩大规模,创造效益,形成产业 。3.4 各方通力合作,扎实推进生物质能源产业化发展生物质能开发利用是跨行业 、 跨部门的新兴产业 。 从政府管理角度来看,涉及能源 、 农业 、 林业 、财税 、 科技 、 环保等多个部门 。 从能源产品管理角度来看,涉及电力 、 石油等多个常规能源管理机构 。为了促进生物质能开发利用,有关各方应齐心协力,密切配合,共同推进生物质能源产业发展 。 能源主管部门应把生物质能纳入能源管理的重要范围,组织开展好生物质能资源评价 、 规划制定 、 示范项目建设,要制定并完善相关政策 。 同时,农林主管部门要统筹做好农林生物质能源资源管理工作,研究制定农林生物质能资源评价办法,做好资源评价 、资源开发 、 技术支持及有关管理工作 。 科技部门要加大对生物质能技术研究开发的支持力度,加快推进生物质能利用的技术进步 。 另外,与常规能源相比,生物质能开发利用成本较高 、 市场竞争力较弱,财税部门要制定促进生物质能开发利用的财政和税收政策,推动生物质能源产业化健康快速发展 。4 结语能源是现代人类生存和发展所依赖的重要资源 。随着中国经济的蓬勃发展,对能源的需求越来越大 。充足而稳定的能源成为影响和制约中国经济发展的重要因素,中国的能源战略正面临着重大转型 。 对生物质能源科学有效地开发利用,是实现可持续发展的科学发展观的有效路径 。 以最小的代价发展经济,以最小的经济成本保护环境,通过能源结构的调整和优化,使能源供应从简单满足经济发展的基本需求为目标,转向在满足需求的基础上重视环境效益的双重目标,实现经济 、 社会 、 环境的协调发展 。参考文献[ 1 ][ 2 ][ 3 ][ 4 ][ 5 ]李昌珠 ,蒋丽娟 ,程树棋 ,等 .生物柴油 - - 绿色能源 [M].北京 化工出版社 ,2004.吕 文 ,李定河 . 发展油料能源树种与开发生物柴油前景分析 [J].中国能源 ,2007,29130- 32.张尚武 ,申福春 .我省生物柴油 “ 林油一体化 “ 项目正式启动 [J].湖南林业 ,2007,1037国家林业局 .全国能源林培育工程规划 征求意见稿 [Z].北京 国家林业局 ,2006.阙龙善 ,张国武 ,杜天真 .中国油茶技术研究与产业发展战略探讨 [J].江西科学 ,2007,254505- 510.Transfer From Conducting Polymers onto Buekminster Fullerene [J].Seienee,1992, 258, 1 474- 1 476.S. 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