薄膜太陽(yáng)能電池供體材料的開發(fā)研究

摘 要：本文主要對(duì)染料敏化太陽(yáng)能電池和聚合物太陽(yáng)能電池中供體材料進(jìn)行分析和探討，并對(duì)薄膜太陽(yáng)能電池的供體材料的發(fā)展前景作出了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：薄膜太陽(yáng)能電池；供體材料；開發(fā)研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.090

0 引言

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，全面變暖現(xiàn)象日益嚴(yán)重，主要原因是不可再生能源的使用以及隨意排放溫室氣體導(dǎo)致的。隨后，人們逐漸把關(guān)注點(diǎn)放在了研發(fā)清潔能源上和怎樣減少溫室氣體的排放量。太陽(yáng)能是清潔可再生能源的一種，太陽(yáng)能在研發(fā)和利用方面起著重要作用，因此一些國(guó)家漸漸推行了陽(yáng)光計(jì)劃以此來(lái)開發(fā)新能源。現(xiàn)如今，薄膜太陽(yáng)能電池應(yīng)用廣泛，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)錢便宜，便于攜帶等是薄膜太陽(yáng)能電池的主要特點(diǎn)，在一定程度上推動(dòng)了電池供體材料的可持續(xù)發(fā)展。另外，光電轉(zhuǎn)化效率值的精準(zhǔn)度不斷提升，在世界各個(gè)領(lǐng)取也取得了不小的成就。現(xiàn)如今，怎樣提升光電轉(zhuǎn)換效率和減少投資成本是太陽(yáng)能電池發(fā)展的重點(diǎn)，從而更好的完成產(chǎn)品商業(yè)化目的。隨著一些新型電池活性材料的推行，在一定程度上提高了光電效率值，尤其是供體材料的開發(fā)研究，備受人們的關(guān)注。

1 染料敏化太陽(yáng)能電池

自相關(guān)學(xué)者研究出光伏現(xiàn)象后，人們對(duì)光伏現(xiàn)象的原理和特點(diǎn)進(jìn)行更深層次的分析和探討。在20世紀(jì)70年代初期，相關(guān)學(xué)者第一次通過(guò)葉綠素敏化寬帶隙半導(dǎo)體氧化鋅，研制成功了第一個(gè)帶有太陽(yáng)能電池的染料敏化體系。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的對(duì)染料敏化太陽(yáng)能電池的研究和探討，其在轉(zhuǎn)化效率以及制作方式上有了巨大突破，在科學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界備受關(guān)注。在染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換中，光敏劑材料是其重要組成部分，所以，研發(fā)具備高吸收指數(shù)，更廣泛吸收光譜的有機(jī)染料分子，為提高料敏化太陽(yáng)能電池效率奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。眾人皆知，染料敏化太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)是“三明治”結(jié)構(gòu)，如圖1所示，導(dǎo)電玻璃、各種改性的半導(dǎo)體氧化物薄膜、光敏染料、氧化還原電解質(zhì)和對(duì)電極是染料敏化太陽(yáng)能電池的重要組成部分。介孔半導(dǎo)體薄膜、光敏染料和空穴傳輸材料是染料敏化太陽(yáng)能電池的核心部件。光敏材料的利用直接影響了電池的使用效率，在科學(xué)領(lǐng)域中受到高度重視。目前在納米二氧化鈦上，釕配位中心的染料分子是應(yīng)用最多的分子，比如羧酸聯(lián)吡啶為配體的單核和多核釕絡(luò)合物作為染料敏化劑，從而進(jìn)行基礎(chǔ)研究。研究結(jié)果顯示，在一定程度上提高了電池效率，因此很多學(xué)者一致認(rèn)為，要研發(fā)高質(zhì)量、近紅外并且與太陽(yáng)光譜相匹配的有機(jī)染料，來(lái)作為染料敏化太陽(yáng)能電池的活性材料，從而提高電池的光轉(zhuǎn)換效率。

2 聚合物太陽(yáng)能電池中的供體材料

聚合物太陽(yáng)能電池是薄膜太陽(yáng)能電池的一種，近幾年發(fā)展迅速，其中，光電轉(zhuǎn)換率逐漸提高，從以往的3%理論計(jì)算值增長(zhǎng)到目前的10%還多，單節(jié)電池達(dá)到了11%。另外，聚合物太陽(yáng)能電池開發(fā)研究的重點(diǎn)是供體材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)，是有機(jī)太陽(yáng)能電池中光獲取光電轉(zhuǎn)化的核心部件，在一定程度上還能促進(jìn)光轉(zhuǎn)換的效率。通過(guò)研發(fā)和分析供體材料中不難看出，要想將潛在的高轉(zhuǎn)換效率展現(xiàn)出來(lái)，就要具備以下幾點(diǎn)：（1）在大氣中，有機(jī)供體分子的穩(wěn)定性要高。供體材料占據(jù)最高軌道H0M0能量不能高于空氣氧化的臨界值，光吸收的主要部件是有機(jī)供體分子。由此可見，在光和近紅外區(qū)域內(nèi)的光學(xué)吸收能力非常強(qiáng)，在太陽(yáng)發(fā)射光譜中光能的吸引力逐漸加強(qiáng)，以此來(lái)擴(kuò)大光學(xué)的吸收范圍。（2）合適的HOMO和LUMO能級(jí)。較低的HOMO能級(jí)可以在一定程度上提升開路電壓，而供體分析的LUMO能級(jí)要比電子受體LUMO能級(jí)要高，這樣電子就可以從供體轉(zhuǎn)移到受體的驅(qū)動(dòng)力中。（3）載流子遷移率供體材料的任務(wù)包括空穴的傳輸，必須必備較強(qiáng)的傳輸能力。在電子受體中要有較強(qiáng)的電子傳輸能力，從而滿足聚合物供體材料的標(biāo)準(zhǔn)要求。近年來(lái)，隨著新結(jié)構(gòu)的不斷推行，提高了電池效率，對(duì)于新活性材料來(lái)說(shuō)，要想提升修飾和改性效果，就必須圍繞噻吩體系執(zhí)行，并做好聚合物光伏材料的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，推動(dòng)了薄膜太陽(yáng)能電池的發(fā)展進(jìn)程，但在實(shí)用化方面還是存在一些問題，距商品化還有一定距離，其主要因素有很多，例如電池的壽命、效率、生產(chǎn)成本等。然而我國(guó)已經(jīng)開始對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的理論極限進(jìn)行了模擬計(jì)算，但其效果不是很明顯，還是有上升的空間。

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作者簡(jiǎn)介：周麗瓊（1989-），女，甘肅永昌人，理學(xué)學(xué)士，助教，研究方向：太陽(yáng)能電池薄膜材料。