聚合物太陽能電池光伏材料的研究進展

摘 要：光伏材料是太陽能電池的專用材料，指的是能夠?qū)⑻柲苤苯愚D(zhuǎn)化為電能的材料。聚合物太陽能的響應(yīng)方式，是與傳統(tǒng)無機太陽能電池的光電響應(yīng)方式非常不同的現(xiàn)代工作方式。聚合物太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)、工作原理、光電效應(yīng)，以及電能的產(chǎn)生過程有其特殊性。回顧其發(fā)展歷程，為提高聚合物太陽能電池效率的途徑總結(jié)、研究太陽能電池的使用壽命，以及今后未來的發(fā)展指明了方向。

關(guān)鍵詞：聚合物;太陽能電池;光伏材料;新能源

前言：太陽能電池中的光伏材料能夠把太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能，而以聚合物為主體的光伏材料將有效的產(chǎn)生伏特效應(yīng)。近幾年來，廣大企業(yè)紛紛發(fā)現(xiàn)了聚合物太陽能電池生產(chǎn)成本低廉、輕薄靈活、光伏材料分子結(jié)構(gòu)可設(shè)計性強的優(yōu)點。提升光電轉(zhuǎn)化效率，改善電池結(jié)構(gòu)，優(yōu)化光伏材料的選擇，改變電池組裝技術(shù)等等，是強化聚合物太陽能電池工作原理的法寶。

一、聚合物太陽能電池發(fā)展的歷程

太陽能作為一種容易獲取，且安全、清潔、無污染的新型能源，為現(xiàn)代人解決能源危機提供了嶄新的思路。太陽能來制造有效的太陽能電池技術(shù)，最早是由實用性的單晶硅電池拉開序幕的。而后經(jīng)歷了無機化合物、半導(dǎo)體太陽能電池、有機小分子太陽能電池，以及聚合物太陽能電池等幾個歷史發(fā)展階段。

與其他幾種太陽能電池相比，人們發(fā)現(xiàn)聚合物太陽能電池的原料應(yīng)用較為廣泛，而且生產(chǎn)成本較低，其光伏材料可以自行設(shè)計，而且在制備柔性器件時其優(yōu)勢非常明顯。聚合物太陽能電池中的P型材料工作原理比較簡單，只要當(dāng)光照射到聚合物的電池材料之后，光子就會被迅速的吸收。激子產(chǎn)生之后，擴散到給體受體的接觸界面，而后自由分離，分離結(jié)果往往是成自由電子和空穴。

聚合物太陽能電池的電能轉(zhuǎn)化原理，是在內(nèi)建電場的驅(qū)動之下，自由電子通過豎體材料的通道，直接遷移到陽極，而空穴則通過給體材料通道繼續(xù)遷移到陰極。需要特別關(guān)注的是，現(xiàn)代聚合物太陽能電池的光敏層結(jié)構(gòu)，優(yōu)化的光敏層結(jié)構(gòu)將對于未來太陽能電池的發(fā)展趨勢給予更好的推動。

二、聚合物太陽能電池的開發(fā)原理及必要性

聚合物太陽能電池是一種有機的太陽能電池，由于其使用光伏材料，因此也被稱之為有機光伏電池。使用有機半導(dǎo)體材料作為實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化效應(yīng)的電池材料，在吸收光子之后，常常激發(fā)了各自電極，這是一種太陽能電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展過程中實現(xiàn)有機太陽能電池大幅度和大規(guī)模推廣的歷程。聚合物太陽能電池的導(dǎo)電性能使得其在制造輕薄型的輕質(zhì)電池以及高分子聚合物電池方面的應(yīng)用，前景十分廣闊。聚合物太陽能電池通常的器件活性層可以做到很薄，該厚度僅為0.1um，就可以很好的達到光能的吸收，因此，各大企業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)希望能夠使得聚合物太陽能電池更大規(guī)模的走入到商品化市場。新能源領(lǐng)域目前作為國家經(jīng)濟發(fā)展過程中極為重要的一個發(fā)展方向，對于未來太陽能電池的發(fā)展趨勢提出了新的要求和展望，軍用行業(yè)、以及民用和商用行業(yè)，都希望能夠更好的應(yīng)用聚合物太陽能電池，因此，研究該類型電池的材料演變過程具有非常積極的意義及必要性。

三、聚合物太陽能電池光伏材料的發(fā)展演變

（一）聚合物太陽能電池光敏層的結(jié)構(gòu)

聚合物太陽能電池由聚合物光敏層、陰陽極組成，并且需要部分調(diào)節(jié)光的附加層共同輔助發(fā)揮作用，聚合物光敏層的性能對于整個電池的性能起到的作用是至關(guān)重要的，由于其結(jié)構(gòu)往往是采用PPV制備單層結(jié)構(gòu)器件，因此其早期的聚合物太陽能電池可能由于半導(dǎo)體材料較為單一，導(dǎo)致光敏層的光吸收不能很好的覆蓋太陽光譜。這就造成了對于太陽光資源的浪費，而且使得聚合物太陽能電池的光電響應(yīng)反應(yīng)有更大的提升空間。為了避免單層結(jié)構(gòu)器件自由電子負(fù)荷濃度過低，從而能夠解決單層結(jié)構(gòu)電池能源能效較低的長效問題，研究者開始將注意力逐漸的轉(zhuǎn)移到異質(zhì)結(jié)構(gòu)類型的聚合物太陽能電池研究領(lǐng)域。通過太陽能電池發(fā)光和應(yīng)用實踐的有關(guān)數(shù)據(jù)及案例可以發(fā)現(xiàn)，雙層結(jié)構(gòu)以及混合結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)太陽能電池，其分效性和電能轉(zhuǎn)換效率將更高。雙層結(jié)構(gòu)電池可以使得聚合物材料的光譜吸收率更高，但是由于在太陽光譜匹配度方面注重聚合物材料的電荷傳輸能力，激子傳輸速率不能很好的傳輸?shù)浇Y(jié)合面，也使得很多電子能源被白白浪費。而體異質(zhì)結(jié)構(gòu)類型的聚合物太陽能電池，由于使用D相和A相相互滲透，能夠非常良好的結(jié)合成網(wǎng)絡(luò)中的連續(xù)相共混薄膜，電子和空穴不容易接近，反而大幅度提高了能量的轉(zhuǎn)化效率。

（二）聚合物太陽能電池光伏材料

聚合物太陽能電池的光伏材料，主要指的是其電子給體和電子受體，這兩大類材料的結(jié)構(gòu)直接影響了聚合物太陽能電池的正常工作。目前，應(yīng)用較為廣泛的聚合物太陽能電池光伏受體材料，往往使用的是無機半導(dǎo)體納米晶類材料。這利用了無機納米晶載流子牽引率高，化學(xué)性能較為穩(wěn)定而良好的特點。無機納米晶體常常使用CdS、Cdse、Zno、TiO2等等材質(zhì)共同混合，經(jīng)過實驗測算可以發(fā)現(xiàn)，其能量轉(zhuǎn)化率已經(jīng)達到39%～160%。聚合物太陽能電池光伏材料的受體材料發(fā)展速度較為迅速，但是人們也發(fā)現(xiàn)了在半導(dǎo)體納米晶與聚合物溶液混合的過程中，可能會出現(xiàn)分離性比較差，容易發(fā)生聚集情況的問題。雖然聚合物受體材料通過對于主鏈?zhǔn)褂貌煌〈偈蛊潆娮邮荏w性能提升，但是由于載荷傳輸能力較低，該器件的能量轉(zhuǎn)換效率仍然有提升的空間。

（三）聚合物太陽能電池光敏材料的優(yōu)化展望

近幾年來在光電領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用非常廣泛、經(jīng)常被使用制作電子光能器件的材料為3聚苯撐乙烯，PPV類的給體材料具有良好的溶解性，且容易修飾。雖然其對于可見光覆蓋區(qū)域比較狹窄，而且?guī)遁^大，但是仍然可以采用改進聚合方法、區(qū)域性規(guī)整等方式實現(xiàn)更加有序的分子結(jié)構(gòu)排列。另外，研究者認(rèn)為引入不同的取代基團，也可以達到很好的電載流子遷移率，從而能夠更好的提升聚合物太陽能電池的使用壽命。

為了能夠優(yōu)化光敏層膜的微觀形貌，依靠聚合物的自我組合形成非常良性的嵌段共聚物質(zhì)，利用二者的光學(xué)形態(tài)不相容，結(jié)合PLLA的生物可降解性，在層面實現(xiàn)微相分離之后，能夠形成特定而有序的納米尺度。在未來，可降解的PLLA將會得到更加廣泛的應(yīng)用，使得C60的完美嵌入提供了很好的通道，這種負(fù)荷的共混聚合物其本體與傳統(tǒng)的太陽能電池相比將更加穩(wěn)定，而且能夠顯著的提升載流子的遷移效率，提高整個器件的光電響應(yīng)效率。

總結(jié)

聚合物太陽能電池光伏材料的發(fā)展，與傳統(tǒng)的無機太陽能電池相比具有非常明顯的優(yōu)勢，人們在設(shè)計合成材料的時候，希望能夠更好的控制和優(yōu)化光敏層材料的微觀形貌。電池器件結(jié)構(gòu)對于材料的吸光強度有明顯的要求，而在載流子遷移率提升的研究過程中，電池的制作工藝也將顯著的影響其使用壽命。之所以展開該研究，就是希望能夠隨著研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)并制造具有更強穩(wěn)定性，更低生產(chǎn)成本和更高光電響應(yīng)效率的聚合物太陽能電池光伏材料，從而能夠為人們的日常生活和其他各個領(lǐng)域帶來更便利的電能供應(yīng)。

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作者簡介：

趙雨琪， 出生年月：1998年7月，性別：女，籍貫： 吉林白城，學(xué)歷：本科，專業(yè)：材料科學(xué)，任職單位：湘潭大學(xué)材料學(xué)院，主要研究方向：新能源材料及開發(fā)等方面。