無(wú)機(jī)材料在有機(jī)太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用探索

張 平 ，肖 夏

（1.天津大學(xué)電子信息學(xué)院 天津 300072；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院 天津 300222）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，不得不進(jìn)行各類能源資源的開(kāi)采，使能源資源逐漸面臨枯竭，甚至給環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的影響。現(xiàn)如今，在環(huán)境問(wèn)題的壓力下，對(duì)清潔能源的開(kāi)發(fā)及利用越來(lái)越受到人們的重視，特別在太陽(yáng)能電池研究方面取得了極大的突破。太陽(yáng)能電池組成部分包括光活性層和正、負(fù)電極。就太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率而言，與緩沖層的合適度有著緊密的聯(lián)系，目前常見(jiàn)緩沖層材料包括：無(wú)機(jī)和有機(jī)半導(dǎo)體型兩類。就有機(jī)緩沖層材料而言，其種類豐富，還能夠進(jìn)行真空鍍膜，缺點(diǎn)是價(jià)格相對(duì)較高，運(yùn)用于電池材料中所需成本費(fèi)用較高。而無(wú)機(jī)緩沖層材料不僅價(jià)格低廉，且在性能穩(wěn)定方面較有機(jī)緩沖層材料效果更佳。因此，對(duì)無(wú)機(jī)材料在有機(jī)太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用進(jìn)行研究極具實(shí)際價(jià)值意義。

1 無(wú)機(jī)材料在有機(jī)太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用研究

1.1 在陽(yáng)極緩沖層中的應(yīng)用

為起到修飾陽(yáng)極的作用，將無(wú)機(jī)材料運(yùn)用在有機(jī)太陽(yáng)能電池陽(yáng)極緩沖層當(dāng)中，無(wú)論是在陽(yáng)極的厚度方面，還是在無(wú)機(jī)物類型上對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能都具有一定的影響作用。在有機(jī)太陽(yáng)能電池中，經(jīng)常用于陽(yáng)極緩沖層中的無(wú)機(jī)物主要包括：三氧化鎢、三氧化鉬和氧化鎳三類。如：三氧化鎢，此類無(wú)機(jī)物在陽(yáng)極修飾層方面的器件效率高達(dá)3.1%，還能夠使太陽(yáng)能電池中的載流子在復(fù)合效率上得以有效降低。如：三氧化鉬，此類無(wú)機(jī)物可作用于太陽(yáng)能電池紅外區(qū)域中，不僅能夠使光吸收率增強(qiáng)，還可以促使電池能量得以更好的轉(zhuǎn)化。如：氧化鎳，將此類無(wú)機(jī)物作用于陽(yáng)極修飾層當(dāng)中，可以對(duì)活性層能級(jí)進(jìn)行靈活的調(diào)節(jié)，有效促進(jìn)電池陽(yáng)極結(jié)構(gòu)對(duì)空穴流的接受，從而使太陽(yáng)能電池工作效率得以保證。

1.2 作為陰極緩沖材料

由于有機(jī)太陽(yáng)能電池本身缺乏一定的穩(wěn)定性，為提高這種穩(wěn)定性，將無(wú)機(jī)材料作為陰極緩沖材料加以使用，其原理是以無(wú)機(jī)材料作為緩沖層，在電池陰極、有機(jī)層之間進(jìn)行該類緩沖層的設(shè)置，在此過(guò)程中，無(wú)機(jī)材料作為電極和有機(jī)層之間的接觸層，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，可以有效減少太陽(yáng)能在電能轉(zhuǎn)換過(guò)程中的電阻，還能對(duì)有機(jī)層加以保護(hù)，并使電池使用壽命延長(zhǎng)。在有機(jī)太陽(yáng)能電池中，經(jīng)常用到的陰極緩沖材料主要包括：氧化錳、氧化鈦和氟化鋰三類。如：氧化錳，其對(duì)太陽(yáng)能電池陰極可起到修飾的作用，并利用真空蒸鍍法達(dá)到陰極結(jié)構(gòu)中氧化錳狀態(tài)的保護(hù)效果。如：氧化鈦，將氧化鈦?zhàn)鳛殛帢O緩沖材料應(yīng)用于有機(jī)太陽(yáng)能電池中，能夠促使空穴流向陰極結(jié)構(gòu)中移動(dòng)，對(duì)太陽(yáng)能電池有機(jī)層形成全面保護(hù)，在該過(guò)程中負(fù)責(zé)對(duì)電子傳輸和收集的工作，還可以作為第二基底，在太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)中進(jìn)行串聯(lián)，同時(shí)為了對(duì)太陽(yáng)能陰極結(jié)構(gòu)加以保護(hù)，將該材料作用于陰極層時(shí)采取旋涂的方式，從而使太陽(yáng)能陰極緩沖作用得以發(fā)揮出來(lái)，進(jìn)而起到保護(hù)的效果。如：氟化鋰，將其作為陰極修飾的材料，對(duì)陰極層加以保護(hù)，使電池中Al的功函數(shù)得以降低，能夠使陰極界面發(fā)生偶極子，這種偶極子可以快速擴(kuò)散到有機(jī)層當(dāng)中，對(duì)有機(jī)層起到一定的修飾作用。另外，將氟化鋰應(yīng)用于電池陰極中，需對(duì)材料厚度上進(jìn)行合理設(shè)置，從而達(dá)到阻斷陰極和保護(hù)陰極結(jié)構(gòu)的作用。

1.3 在活性層中的應(yīng)用

常見(jiàn)的應(yīng)用于有機(jī)太陽(yáng)能電池活性層結(jié)構(gòu)中的無(wú)機(jī)材料主要包括納米硅、鉻化合物及金屬氧化物三類。如：納米硅，其屬于無(wú)毒無(wú)害的一類無(wú)機(jī)材料，電子遷移率相當(dāng)高，對(duì)光的吸收性能很強(qiáng)，將其與有機(jī)材料進(jìn)行結(jié)合，作為受體結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行太陽(yáng)能電池的制作，將其以線陣列方式運(yùn)用于有機(jī)太陽(yáng)能電池內(nèi)，使其內(nèi)部電場(chǎng)增大，能夠使有機(jī)太陽(yáng)能電池對(duì)可見(jiàn)光和紅外光的吸收率得以有效增強(qiáng)，加速電子遷移過(guò)程，使電子與空穴轉(zhuǎn)移變得簡(jiǎn)化，使太陽(yáng)能傳輸過(guò)程得以優(yōu)化。如：鉻化合物，其在有機(jī)太陽(yáng)能中的應(yīng)用以無(wú)機(jī)受體方式為主。通常情況下，球形鉻化合物表層的絕緣層在同有機(jī)太陽(yáng)能電池中的器件進(jìn)行結(jié)合時(shí)，能夠?qū)μ?yáng)能天池在點(diǎn)和傳輸上進(jìn)行一定的限制，從而使電子傳輸效率得以提高。將金屬氧化物當(dāng)中的氧化鋅和氧化鈦進(jìn)行比較，氧化鈦在化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性方面明顯高于氧化鋅，且透光性也較氧化鋅高。其作為能級(jí)較低的納米粒子，能夠有效提升太陽(yáng)能電池電能的轉(zhuǎn)化率，應(yīng)用過(guò)程中有機(jī)體與無(wú)機(jī)受體相結(jié)合，能夠使無(wú)機(jī)物在波長(zhǎng)進(jìn)行改變。另外，將這類能級(jí)低的納米粒子在有機(jī)太陽(yáng)能電池吸收區(qū)域、可見(jiàn)光、及近紅外區(qū)域內(nèi)進(jìn)行專門(mén)的設(shè)置，能夠使活性區(qū)域當(dāng)中的載流子復(fù)合量得以有效降低，從而保證有機(jī)太陽(yáng)能電池在光吸收方面的較高效率。這也是其廣泛被運(yùn)用于有機(jī)太陽(yáng)能電池中的主要原因。另一金屬氧化物是氧化鋅，其屬于N型半導(dǎo)體材料，有著極好的電子傳輸性能，在電子傳輸性能上，氧化鋅較普通金屬氧化物高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。但將其作用于太陽(yáng)能電池中，存在一定的缺陷，主要表現(xiàn)在化學(xué)穩(wěn)定性方面，其化學(xué)穩(wěn)定性不足，特別是處在酸堿環(huán)境當(dāng)中其化學(xué)穩(wěn)定性較弱。所以，在進(jìn)行有機(jī)太陽(yáng)能電池?zé)o機(jī)材料選擇的過(guò)程中，需要對(duì)氧化鋅化學(xué)穩(wěn)定性方面進(jìn)行充分考慮。就目前而言，在這方面仍須繼續(xù)研究。

2 無(wú)機(jī)材料未來(lái)發(fā)展方向

由于無(wú)機(jī)材料在有機(jī)太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用，能夠使有機(jī)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)得以有效改善，從而保證太陽(yáng)能電池能夠達(dá)到使用的最佳效果，將無(wú)機(jī)材料運(yùn)用于有機(jī)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)當(dāng)中，其優(yōu)勢(shì)較為明顯，在今后乃至未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，不僅是對(duì)于太陽(yáng)能電池的應(yīng)用，還應(yīng)該將無(wú)機(jī)材料使用范圍進(jìn)行拓展，并對(duì)使用無(wú)機(jī)材料過(guò)程中出現(xiàn)電池器件問(wèn)題進(jìn)行研究，找到有效方法加以解決，使無(wú)機(jī)材料在有機(jī)太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用數(shù)量得以增加，真正挖掘出無(wú)機(jī)材料本身更大、更多的價(jià)值，從而利用無(wú)機(jī)材料來(lái)使有機(jī)太陽(yáng)能電池的工作效率得以有效提高。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，將無(wú)機(jī)材料應(yīng)用于有機(jī)太陽(yáng)能電池中，對(duì)兩者進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，可有效彌補(bǔ)有機(jī)材料中存在的不足。在有機(jī)太陽(yáng)能電池中，結(jié)合實(shí)際特征對(duì)無(wú)機(jī)材料進(jìn)行引入，有利于太陽(yáng)能電池在性能方面的穩(wěn)定提升，還能使無(wú)機(jī)材料在太陽(yáng)能電池中的作用得以充分發(fā)揮，在增強(qiáng)有機(jī)物同無(wú)機(jī)物匹配性及有機(jī)太陽(yáng)能電池使用情況方面，有著極強(qiáng)的改善作用，可以說(shuō)極大程度的滿足了有機(jī)太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)化的基本需求。