浅谈有机太阳能电池技术

摘 要:能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈,越来越多的国家开发太阳能资源,寻求经济发展的新动力,太阳能电池应运而生。有机太阳能电池作为其中的一种,以制备工艺简单、环境稳定性高、光伏效应良好等优点,日益被人们所重视。

关键词:有机太阳能电池 工作原理 特点 发展

中图分类号:TM61文献标识码:A文章编号:1674-098X(2012)04(b)-0025-01

1 有机太阳能电池的特点

有机太阳能电池与无机太阳能电池的最大区别在于半导体材料,有机太阳能电池的半导体是有机材料,而无机太阳能电池的半导体是无机材料。有机材料与无机材料相比,毒性较小,不会造成环境的污染,是更清洁的能源。

2 有机太阳能电池的原理及材料

2.1 工作原理

有机太阳能电池以具有光敏性质的有机物作为半导体材料,以光伏效应而产生电压形成电流。具体的工作过程如下:光子入射到光敏材料,光敏材料在激发作用下,分子间作用力发生变化,材料内部产生大量的游离电子和空穴对。游离的电子和空穴对在静电势能作用下导致分离,随之产生定向移动,电子移向负极,孔穴移向正极,被接触电集收集,然后在正负电极之间产生光电压。当外部电路被接通时,内部形成的电流被释放,外电路形成工作回路。需要注意的是,在游离电子和空穴对形成的过程中,光子的能量是决定光伏效应能否正常发生的关键性因素。

描述有机太阳能电池性能的主要参数有:

(1)短路电流Isc,开路电压Voc。这两个参数都是在已知功率(W)和能量的光照下测量的。

(2)用来表示由于器件的电阻而导致的损失的参数填充因子(FF)

FF=(IV)max/IscVoc

(3)表示电池主要性能的参数能量转换效率(ηp)

ηp=Pout/Pin=(IV)max/LA

ηp=FF IscVoc/LA

(4)外量子效率(EQE)

EQE=外部电路电子数/入射光子数

2.2 电池的有机材料

1)有机小分子化合物

酞菁类化合物和芘类化合物是典型的有机小分子化合物,同时也是有机太阳能电池的重要半导体基础材料。酞菁类化合物具有典型的p-型结构,可以很好的吸收600～800nm光谱区域内的太阳光线;芘类化合物具有典型的n-型结构,可以较强的吸收400～600nm光谱区域内的太阳光线。

2)有机大分子化合物

共轭聚合物是具有半导体性质的有机大分子化合物,可以制作成各种光电器件。通过研究发现,共轭聚合物与电致发光二极管配合使用,可以组成基于共轭聚合物的有机太阳能电池,且使用效果良好。

3)模拟叶绿素材料

有机太阳能电池的半导体材料来源广泛,种类众多。人类从绿色植物的光和作用中受到了启发,研制出了新型的有机半导体材料—模拟叶绿素材料。研究人员发现,植物的叶绿素之所以可以将太阳能转化为化学能,关键在于叶绿素分子受到光的激发后,产生出分离态的电荷,电荷分离状态维持1s左右,在这短短的时间内,已经足以使产生的电荷产生输出。研究人员受此启发,合成了具有如下结构的化合物C-P-Q。

3 有机太阳能电池的不足

3.1 从光能到电能的转化效率低

高分子材料由于无定型结构的原因,分子间作用力弱,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,而在分子链间的迁移比较困难,使得高分子材料载流子的迁移率一般很低,因此,形成光伏效应的环境较弱。此外,有机太阳能电池与无机太阳能电池的光伏效应原理不同,无机太阳能电池的光生载流子通过直接吸收光子产生,而有机太阳能电池是先生产激子,然后再通过激子的离解产生自由载流子,这样形成的载流子容易成对复合。这些原因都导致有机太阳能电池的转化效率较低。

3.2 电能稳定性低

造成有机太阳能电池电能稳定性低的原因主要有两个:一是由有机染料制作的有机太阳能电池半导体,电阻高,会造成很大的电能损耗,降低电流的通量;二是有机太阳能电池的载流子迁移率低,会影响转换电流的强度。

4 结语

无机太阳能电池的研究和发展已经相对成熟,不管是从材料的研发还是从开发思路上来讲,都值得有机太阳能电池技术的发展借鉴。在技术研发中,要充分利用现有资源和无机太阳能电池技术已经取得的成果,拓展创新思路,加快新技术的研发脚步。在半导体材料方面,不管是无机材料还是有机材料,都会有其优缺点。如何将无机材料电能转换效率高的特点与有机材料来源广泛,工艺简单的优势相结合,实现半导体材料的技术突破,将会是今后的一个发展方向。此外,纳米材料也可能会加入太阳能电池的应用行列。纳米材料是由超微粒组成的,这些微粒边界区的体积大约是材料总休积的50%,因此利用纳米材料组装有机太阳能电池,其特殊结构可能会使有机太阳能电池的研究产生较大进展。

参考文献

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[2] 李甫,徐建梅,张德.有机太阳能电池研究现状与进展[J].能源与环境,2007(4).

[3] 李炳田,任斌,黄河.有机太阳能电池研究进展[J].中山大学学报,2003,6(42).