納米結構材料及其技術在太陽能電池中的應用

高雨萌

（武漢市第四十九中學 湖北 武漢 430000）

1 引言

隨著科學技術的不斷發展，人們的日常生活對于石油燃料的需求越來越多，同時，也引起了全球環境變暖的多種問題。燃料的不斷消耗，使得大氣中的二氧化碳濃度不斷上升，由此引發了地球的溫室效應。針對此種情況，如果不能采取有效的措施，不久的將來地球將會面臨及其嚴重的危險。與此同時，石油燃料的快速消耗，也會逐漸將儲藏量耗盡。與此同時，太陽輻射到地面的能量相對較大，且屬于無污染再生能源，符合人類可持續發展的需求。因此，對于納米結構材料及其技術在太陽能電池中的應用分析勢在必行。

2 染料敏化太陽電池材料的應用

染料敏化太陽能電池又可稱之為DSC，英文全稱為dye-sensitizrd solarcells。此太陽電池技術研究最為成功的，是瑞士科學家提出的太陽能光電池，以染料敏化納米TiO2薄膜作為太陽極，這種太陽能光電池，將光能轉換為電能的效率能夠達到11.3%。與此同時，染料敏化太陽能電池，同傳統的太陽能電池相比，制作成本相對較低，且來源豐富，制作工藝也較為簡單，同時性能穩定。另外，染料敏化太陽電池是一種復合體系，采用的是由有機以及無機所構成的，此太陽能電池是由納米晶半導體多孔膜作為其工作的電極。而制作此電極的方法一般會采用水熱反應法、絲網印刷法等多種方法[1]。

現階段，對于太陽能電池研究較多的是就是TiO2納晶多孔薄膜，通常采用溶膠-凝膠法制備出所需的納米膠粒，然后將其涂在能夠導電的玻璃上，進而將其進行燒結，最終形成納晶薄膜，在進行電解過程中，正面光照的電解液同背面光照電解液相比，正面光照電解液所得的電流相對較小，針對此種現象，對其中TiCl4和HCl進行改變之后，光電的性能得到有效改善，根據相關的實驗研究得知，在對表面態密度進行減小，對電子輸送通道進行改善之后，能夠對其進行有效改善。此種方法的主要就是通過將一層致密的TiO2薄膜鋪設在光陽極導電玻璃基底上，并將其放在氧氛圍下，對其進行退火處理，并采用不同的溫度，由此，TiO2作為一層阻擋層，會對電解質溶液中的相關離子同導電玻璃基底進行阻止，防止其發生光生電子的復合。根據相關的研究實驗得知，不同厚度的TiO2阻擋層薄膜會對電池的光電性能產生不同的影響，在此過程中，引入阻擋層之后，能夠有效抑制其暗反應的發生，進而使得染料敏化太陽能電池的光電轉化效率能夠有效提高，并同時提高其開路電壓以及短路電流的轉化效率，同沒有引入阻擋層的染料敏化太陽能電池相比，光電轉化效率相對較高。

通常情況下，在對納米晶半導體氧化物進行研究時，較常研究的為TiO2，除此之外，還對ZnO、CdS、CdTe等各種納米晶半導體氧化物進行研究分析。現階段，對于納米晶結構材料的研究以及應用逐漸被廣泛關注，納米晶結構材料應用與太陽能電池中，具有多種優勢，如：制作成本低、穩定性良好、光能轉化為電能的效率較高等[2]。

3 有機聚合物太陽能電池材料的應用

有機聚合物太陽能電池材料的核心部件為聚合物光伏器件，此部件的共軛材料必須具備能夠完成光電荷傳輸以及吸收的過程，另外，應用溶液刮涂成模或者絲網印刷等方法，將可溶性聚合物進行成膜。與此同時，聚合物材料存在于聚合物太陽能電池中，針對此材料，主要包括PPV、PTH、PANI等其他種類的聚合物材料。這些種類的聚合物，都能夠借助化學分子修飾或者摻雜，來達到調整材料電導性的目的，從而降低帶隙，進而快速的吸收太陽光子。如：MEH-PPV，此種聚合材料，具有很高的吸收系數，能夠達到很強的吸收峰，當吸收峰的系數達到最大值的過程中，聚合物薄膜吸入射光能源就能夠超過90%。在所有的聚合物當中，PTH以及PPV這兩種聚合物，其都具有特殊的分子構架以及光電性能，從而使得這兩種聚合物在聚合物太陽能研究的過程中，性能較為活躍。另外，聚合物太陽能除了共軛聚合物之外，富勒烯族材料由于具備較多的優勢，在聚合物光伏電池中的應用研究，也較為廣泛[3]。

相比之下，有機聚合物的材料具有較多優勢，如：柔性較好，體重輕，制作成本低，且制作工藝簡單，并且材料來源豐富等眾多特點，因此，將其應用在太陽能中，能夠具有較為重要的意義，能夠為人類提供廉價的電能奠定良好基礎。從上世紀80年代，開始關注對于有機太陽電池的研究分析，經過長時間的研究，研究結果相對較為成熟且獲得了很大的進展。現階段，經過研究，有機聚合物太陽能電池，進行光電轉換的效率最高能達到5.15%。此種太陽能電池，有機導電高分子聚合物或者敏化染料，是其電子給體，同時此太陽能電池的電子受體為非金屬材料，如：常見的為富勒烯C60及其衍生物，或者為其他種類的有機聚合物等。與此同時，此類電池的光電轉換是存在于D/A界面，并在此界面完成光能與電能的轉換，根據此種特性，此類電池同其他種類電池相比，可以做得很薄，更具便利性的特點。

太陽能電池制備的過程中，可能還會用到活性材料，通常會用到MEH-PPV、PCBM。同時，光伏的性能會受到陽極表面的處理情況的影響，并且與空穴傳輸材料的電導率以及光敏層的厚度等都有密切的聯系，都能夠對光伏的性能產生影響。最好的光伏特性，是在氧氣等離子對陽極進行處理過程中，應用高電導率的空穴傳輸材料，同時借助PEDOT對陽極進行修飾，并且保持光敏層的厚度為180nm，使用銀或者鋁作為電極的情況，光伏特性可以維持最佳狀態[4]。

聚合物太陽能電池材料，具有多功能的光電特性，因此，此類電池材料的發展方向，可以朝四種方向進行發展，第一種方向為具有可調節的電特性以及光特性，第二種方向為操作工藝便利，且同時能夠制作成可以控制厚度的大面積薄膜，第三種方向則為能夠與電子受體材料進性良好的相溶，從而制作成復合體，且內部具有均一的微結構，第四種方向則為低成本，材料以及制備技術成本都相對較低。

4 結語

近些年來，太陽能電池材料通常采用硅材料，但是此技術相對不成熟，面臨較多的不足與問題。因此，為了能夠滿足人類對能量的需求，就需要對硅材料的提純技術進行研究，發掘更為簡單的技術，同時還需要研究采用新型的太陽能電池材料。太陽能電池產業在發展的過程中，對太陽能電池材料的研究以及創新技術，都具有十分重要的作用，每研究出一種新型材料或者技術之后，都會對太陽能電池技術帶來新的發展成果，隨著科學技術的不斷發展，新材料以及新工藝逐漸被研究應用，希望在不就的將來，太陽能電池能夠進一步提高穩定性。