有機太陽能電池中無機材料的應用研究

張琨

摘要：隨著國內外對清潔能源太陽能的不斷利用研究，其中有機太陽能電池的利用，能夠帶給人類帶來更多的能源。在有機太陽能電池中，其中需要運用到有機半導體材料或者無機材料作為緩沖層，由于無機材料的應用效果更加明顯，并且購買成本更加低廉，于是將其運用于有機太陽能電池中能夠有更大的效益。本文將主要研究有機太陽能電池中無機材料的應用。首先對有機太陽能電池的工作原理和結構進行描述，然后再具體分析無機材料三個方面的應用，分別為在陽極緩沖層的應用、在活性層中的應用和作為陰極緩沖材料的應用。無機材料的類型比較多，不同類型的無機材料應用到有機太陽能電池中會有不同的應用效果，所以文中會對不同無機材料的作用進行分析。

關鍵詞：有機太陽能電池;無機材料;應用

中圖分類號：TQ050.4+21 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）12-0065-04

當今世界，能源匱乏問題無處不在，對各國的經濟發展都起到了一定的制約作用，而且在一定程度上也給環境造成了影響，使得各國都開始對新能源進行開發。其中太陽能是一種取之不盡的新型能源，對該能源進行利用，可以緩解化石能源缺乏的問題。當前，對于太陽能電池的研究有了一定程度的突破，對各行各業的發展將會有一些良好的影響。有機太陽能電池主要有三個部分組成，分別為正電極、負電極和光活性層。在有機太陽能電池中其對太陽能的轉化效率與緩沖層有著很大的聯系，所以為了提高太陽能的轉化效率，需要對緩沖層進行深刻的研究。緩沖層的材料是對緩沖層的作用起到直接的影響，常見的材料包括有機半導體材料和無機材料。其中有機半導體材料有著很豐富的種類，而且也能夠起到很好的效果，但是其成本較高，制約了其發展。而無機材料不僅能夠發揮很好的應用效果，比有機半導體材料的效果好，而且成本還比較低，所以將其運用到有機太陽能電池中更為適合具有更好的實際價值。于是本文將研究無機材料在有機太陽能電池中的應用。

1 有機太陽能電池的原理及結構

有機太陽能電池的原理就是通過光伏器件將太陽能的光能轉化為電能。首先太陽光照射在有機材料上，然后有機材料將光子進行吸收，當這些光子的能量高于有機材料的禁帶寬度時，才能生產出激子，只有在激子的作用下然后通過內建電場，這些激子就會分離，然后各自朝向不同的電極運動，有機太陽能電池的兩極就會收集到激子運動所產生的電動勢能，再將電池的兩極接到外電路，這種電動勢能就會形成電流，于是就達到了將太陽光轉化為電能的作用。該整個過程就是有機太陽能電池的簡要工作原理。

最開始的有機太陽能電池結構是肖特基結構，由于其發明時間較早，所以其結構較為簡單，就是在兩個電極之間放人一個有機半導體材料，而且這種半導體材料比較簡單、單一，其對太陽能的轉化效率很小。于是后來就有研究者對其進行優化、創新，于是相繼發了雙層異質結器件、本體異質結器件、分子D-A結器件以及級聯結構器件[1]。這四種不同類型的有機太陽能電池的是在前者的基礎上不斷的進行優化后所得到的性能升級的電池。其中異質結器件與肖特基結構相比，提高了太陽能的轉化效率，但是器件還不夠穩定[2]。級聯結構是用兩個或兩個以上的電池通過串聯的方式組合起來作為一個器件，如圖1所示。因為一種材料的能力是有限，將不同的材料運用于一個器件中就能夠達到更大的作用，能力更加廣泛，對于不同的光譜，不同的材料其中就會對不同的光譜起到作用，如果只有一種材料，那么這種材料就只能對一種光譜起到作用。所以該種方式與之前的電池結構相比，效率提高更加的明顯，電池的穩定性也會更好[3]。

2 有機太陽能電池中無機材料的應用

根據上文所分析的有機太陽電池的工作原理和結構，還分析了電池材料的發展，然后接下來將研究其應用，主要研究三個方面的應用，分別為在陽極緩沖層的應用、在活性層中的應用和作為陰極緩沖材料的應用。這三個方面是無機材料在有機太陽能電池的中的主要應用點，接下將對其進行具體分析。

2.1在活性層中的應用

活性層屬于無機材料的一部分，將無機材料用于活性層中能夠發揮重要的作用。一般情況下，無機材料在活性層中的應用有四類材料，這四類無機材料分別為納米硅、鉻化合物、金屬氧化物和能級低的納米粒子。這四類材料都會各自的特點，其發揮的作用也不一樣，接下來將對這4類無機材料在有機太陽能電池活性層中的應用進行具體分析。

2.1.1納米硅

納米硅的性質是沒有毒，且無害的一種有機材料，該類別的有機材料的主要優勢就是具有很好的電子遷移率，在感受到陽光時，能夠很大程度的吸收太陽能，納米硅能夠作為受體結構，于是才可以發明太陽能電池。納米硅在有機太陽能電池中的應用方式就是線列陣，這種作用方式能夠在讓有機太陽能電池具有很好的吸收可見光和近紅外線的作用，還能夠對電子遷移率進行大幅度的提升。納米硅是有機太陽能電池中是直接串聯的結構，將電池內部的電池進行增大，對電子轉移進行了簡化，還對太陽能傳送過程進行了優化。總之，納米硅在有機太陽能電池中的應用能夠發揮非常重的作用。

2.1.2鉻化合物

鉻化合物與納米硅一樣都是以無機受體的方式在有機太陽能上應用。該類無機材料的應用主要作用就是對太陽能電池的電子傳輸效率進行了很大的提高。比如，球形鉻化合物應用于電池的器件中時，球形鉻化合物表面存在一層絕緣層，該絕緣層能夠很大程度的限制電池的電荷傳輸，這樣就會對電池的電子傳輸效率有真提高的作用。比如，CdS這種無機材料作為受體，能夠提高電荷的收集效率和分離效率。JiangXX等人以垂直的CdS列陣作為受體，通過研究MEH-PPV在CdS表面的不同作用方式，通過使用退火處理的方式對器件的性能影響[4]。如圖2所示，研究了兩種的作用方式，分別為浸涂和旋涂，兩種方式都對PCE進行大幅度的提高，浸涂提高了4倍，旋涂提高了2倍。

2.1.3金屬氧化物

在有機太陽能電池中金屬氧化物有兩種，一種是氧化鋅，另一種是氧化鈦，這兩種無機材料都能在有機太陽能中發揮作用。氧化鋅是一種N型的半導體無機材料，所以具有非常好的電子傳輸特性，比一般的金屬氧化物的高出一個數量級，所以將其運用到有機太陽能電池中具有比較好的優勢。但是氧化鋅也有一個缺點就是其應用的化學穩定性有點不好，特別的當其運用到有機太陽能電池的酸堿環境中，所以在應用氧化鋅時，有機太陽能電池一定要注意，所以當今對太陽能電池的研究中，對于氧化鋅的穩定性研究是一個非常重要的方面，一旦能夠提高氧化鋅的化學穩定性將會在有機太陽能電池中發揮更大的價值和具有更加廣泛的應用。

第二種氧化鈦是一種有序的納米粒子，應用于有機太陽能電池中最主要的作用就是能夠建設較好的電荷傳送途徑，就能夠對電荷的收集效率進行提高，因為氧化鋅能夠大面積的與有機太陽能電池進行接觸，接觸面積越大，對于電荷收集效率就會越有利。與氧化鋅相比，氧化鈦的化學穩定性更加好，透光性能也比較好，雖然氧化鈦的電子傳輸性能還可以，但是沒有氧化鋅的好，由于氧化鋅不穩定，所以當前對于氧化鈦在有機太陽能電池中的應用更加的廣泛。

2.1.4能級低的納米粒子

該類型的無機材料的主要作用就是對有機太陽能電池提高太陽能的轉化率，因為有機與無機體相結合使是會對無機物的波長進行改變的。能級低的納米粒子在有機太陽能電池的使用位置為對光的吸收區域，放在該區域就能夠對太陽能的轉化率進行提高，還能夠對載流子的復合量進行減少。所以能級低的納米粒子應用在有機太陽能電池中能提高對光的吸收率。

2.2作為陰極緩沖材料的應用

有機太陽能電池其自身有一個很大的缺點就是穩定性比較差，所以在使用過程中容易出現問題，為了解決這種穩定性差的問題，可以將無機材料作為陰極緩沖材料，這樣就可以提高太陽能電池的問題性。這種提高穩定性的原理是使用無機材料作為緩沖層，設置位置為電池有機層和陰極之間，這樣就可以當做是兩者的接觸層，而不是讓電池有機層與陰極進行直接的接觸，這樣就可以提高有機太陽能電池的穩定性，減少電阻，保護有機層，最終可以達到對有機太陽能電池的壽命延長作用。作為有機太陽能電池的緩沖層的材料主要有三個種類，分別為氟化鋰、氧化錳和氧化鈦。下面將對其一一進行介紹。

2.2.1氟化鋰

氟化鋰的主要作用就是對陰極層進行裝飾作用，設置在陰極層的表面，還能夠對陰極層進行保護。對陰極層進行裝飾作用的原理是首先應用氟化鋰在電池中，會降低有機太陽能電池中的A1的功函數，然后在陰極界面就會產生偶極子，它具有很好的擴散性，能夠很快的擴散到有機層中，于是對有機層進行了一定的修飾作用。但是氟化鋰的厚度設置得不科學，也將會影響使用效果，所以在應用氟化鋰時要能夠合理的對厚度進行科學設計，讓其發揮對有機太陽能電池中陰極層的保護作用。

2.2.2氧化錳

氧化錳的作用與氟化鋰一樣，其主要作用就是對有機太陽能電池的陰極層進行保護與修飾的作用。其發生保護與修飾作用中需要運用到真空蒸鍍法，然后讓氧化錳的效果達到更好。

2.2.3氧化鈦

氧化鈦作為陰極緩沖材料，其主要作用也是對陰極層進行保護。因為在有機太陽能電池中應用氧化鈦能夠讓空穴移動到陰極層中，于是起到保護的作用。在保護過程中氧化鈦的工作就是傳輸和收集電子，也可以當第二基底。氧化鈦采用的是串聯方式，且涂抹方式為旋涂，這樣可以讓氧化錳在有機太陽能電池中發揮更加好的效果。如圖3所示，它是由Hansel等人所研制的，該器件通過使用氧化鈦無機材料，能夠讓電子收集能力變大，還對解離激子效率[5]。

2.3在陽極緩沖層的應用

有機太陽能電池中陽極緩沖層使用無機材料的最主要的作用就是修飾陽極[6]。作為修飾陽極緩沖層的無機材料類型和厚度不同，對有機太陽能電池的影響效果也是不一樣的。作為陽極緩沖層的無機材料一般會使用到以下三種材料，分別為三氧化鉬、三氧化鎢和氧化鎳，下面將介紹這三種無機材料在陽極緩沖層中的應用表現。

2.3.1三氧化鉬

三氧化鉬在陽極緩沖層中有一個特殊的作用，就是專門應用在電池的紅外線中，所以讓其具有特殊性，在紅外線中使用，可以對光的吸收率有一個很大的提高，對電池的能量轉化也會有一個很大的提高。

2.3.2三氧化鎢

三氧化鎢在陽極修飾層中能夠提高器件的效率。Han等人研究了三氧化鎢作用于陽極中的應用效果，得出結論為通過使用三氧化鎢能夠對器件中的載流子復合效率降低，是器件的效率能夠達到3.1%[7]。

2.3.3氧化鎳

氧化鎳在陽極修飾層中的主要作用就是保障了電池的工作效率。Steirer等人對ITO/PEDOT：PSS/P3HT：PCBM/Ca/A1器件進行了研究，發現通過使用氧化鎳作為陽極修飾層，如圖4所示，然后再通過一系列的處理，最后得出使用氧化鎳能夠提高器件的性能，而且氧化鎳的厚度也會對器件產生影響，當厚度為10納米時，器件的性能是最優的[8]。

將無機材料應用于電池中作為陽極緩沖材料不僅能對提高工作效率、修飾陽極層，還能夠防止電機與有機層中出現電化學現象，對載流子收集效率是由一個很大的提高。總的來說將無機材料應用于有機太陽能電池中對結構的整體穩定性是會有很大的提升。

3 結語

無機材料應用于有機太陽能電池發揮的作用有很多，不同的無機材料的作用不一樣，通過使用無機材料，讓合適的無機材料運用到電池合適的地方，能夠提高有機太陽能電池的光能轉化效率，能夠讓電池運行得更加穩定，更有助于電池在當今社會的發展。隨著將來我國科學技術的快速發展，無機材料的應用效果將會更加的明顯，目前，對于無機材料的開發還只是一部分，如果能夠開發出無機材料的全部優勢，然后將其運用于有機太陽能電池中，對社會的作用將會更大，人民的生活將會更加美滿。

參考文獻

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