具有重大應用前景的綠色能源技術——有機光伏電池

推薦單位：北京能源與環境學會

科研代表：侯建輝

成果來源：中國科學院化學研究所

轉化作者：楊礫

太陽能作為清潔能源之一，已經被人們廣泛應用。太陽能熱水器、太陽能路燈等已經屢見不鮮，利用太陽能給手機充電也是許多人的期待。太陽能轉化為電能進行充電和加熱，實際上是光能向電能的轉化。如果在光的照射下就能給手機充電，我們就不用擔心手機突然沒電而到處尋找電源了。有光就能充電，還是隨走隨充，想想都覺得比共享充電寶方便。你可能想象不到，光能轉化為電能得以實現，依靠的可能是一塊兒像一張報紙一樣、色彩繽紛的小薄片——有機光伏電池。

有機光伏電池是什么

自20世紀50年代有機化合物的半導體性質被發現以來，相關領域的科學家合成了大量具有光、電、熱和磁等功能的化合物，并對它們的性質、器件制備進行了深入研究。有機光電功能材料作為一種具有光電活性的有機材料，能有效實現光能與電能之間的轉換，被廣泛應用于有機太陽能電池、有機發光二極管、有機晶體管等領域。

簡單來講，有機光伏電池就是將光能轉化為電能的 “中間商”，是20世紀90年代發展起來的新型光伏電池。有了它就可以利用光能為我們服務，讓我們享受到綠色清潔的能源。

有機光伏電池有多大

有機光伏電池的尺寸面積可大可小，其大小可以根據應用場景的不同進行調節。其面積大的時候可以是無限的、連續的柔性薄膜;面積小的時候可能就只有5～10平方厘米，就像腕表的表帶大小一樣。在實驗室中進行實驗，最常制備的有機光伏電池和指甲蓋大小差不多，這種尺寸的多是用于實驗。在實際應用中，可以在實驗室做出十幾平方厘米，甚至100平方厘米的有機光伏電池。另外，如果在制作印刷的過程中，考慮一邊印刷一邊卷起來的話，制作出的有機光伏電池的面積就可以是一個連續的寬度，最后得到看起來像塑料地膜一樣的大面積電池。

更輕柔、更多彩、更實惠

與無機光電材料相比，有機光電材料具有明顯的優勢：質量輕、柔韌性好;易于進行化學結構修飾、裁剪和合成，無資源存量的限制;器件制備工藝簡單，可采取印刷、噴墨、打印等溶液加工方法，成本低;易于制作大面積、柔性器件，等等。

有機光伏電池的光伏轉化的關鍵功能層只有100納米的厚度，其主要重量來自柔性的基板，一塊有機光伏電池就像一張報紙一樣，又輕又薄。此外，有機光伏電池用于光電轉化的關鍵材料為高分子有機材料，具備柔性的特點，可以把它做成大規模柔性器件。

有機光伏電池是半透明的，可以調節顏色，使其絢麗多彩，可用于裝飾。建筑物外墻五顏六色的玻璃，在陽光下閃閃發光，它們可能并不是簡單的玻璃，而是能將吸收的光能轉化為電能的建筑功能一體化的有機光伏玻璃。這種玻璃在作為裝飾物的同時，還將光能轉化為電能，為室內供電。有機光伏電池多彩的特點源于有機材料相對于無機材料來說，它的吸收光譜可以在大范圍內調制。通過調制，有機光伏電池就能呈現出多彩的外觀。

國內外相關領域專家也在積極探索，希望能發展出轉化效率高、透光、多彩的建筑功能一體化的光伏玻璃。中國科學院化學研究所研究員侯建輝介紹，目前，用于建筑外墻或是窗戶的稍微高端一些的玻璃大都是夾層玻璃，即兩層玻璃，中間空隙充入氮氣，其實充入氮氣的那一層就是很好地可以把有機光伏電池引入的地方。這樣，就能實現玻璃既透光、好看多彩，又能將光能轉化為電能進行使用。

此外，與無機太陽能電池使用的材料相比，有機半導體材料的原料來源廣泛且廉價，加工制備的工藝簡單和靈活，生產能耗也更低。

有機光電功能材料具有多樣化的結構組成和寬廣的性能調節空間，可以通過分子設計來獲得所需的性能，已經成為發光領域以及光伏領域的研究熱點和前沿，成為21世紀化學及材料科學領域重要的研究方向之一。

轉化室內弱光的獨特功能

未來，有機光伏電池除了能用在我們熟知的室外太陽能路燈、沙漠戈壁的光伏農場等處，它還能用在接觸不到太陽光的室內。但沒有太陽怎么進行能量轉換呢？

有機光伏電池有一個獨特的功能，一個其他類型的光伏電池不具備的功能，就是能將室內的弱光高效地轉化為電能。這個功能使有機光伏電池有望成為驅動在室內使用微電池產品的動能的來源。侯建輝介紹，科技組里已經展示了有機光伏電池這一功能的應用潛力——將有機光伏電池安裝在一個具備無線通信功能的濕度傳感器上，這個傳感器就再也不需要充電了，只要把它放在室內光能照到的地方，它就可以不斷通過無線傳輸的方式告訴電腦終端這里的濕度是多少。

上述例子只是一個簡單的應用，如果把有機光伏電池和其他微電子產品整合起來，它就可以賦予一些低能耗的微電子產品無電源化設計的獨特解決方案。

有機光伏電池轉化效率如何

光伏電池并不能把光能百分之百轉化為電能，前面提到光伏電池是將光能轉化為電能的 “中間商”，這就像“中間商賺差價”一樣，從光能向電能轉化的過程是有損耗的，能轉化多少、損耗多少，這和光伏電池的效率有關。有機光伏電池效率體現在兩類效率上，一是廣泛用來評估光伏電池將光能轉化為電能效率的對標準太陽光的轉化能力，二是在應用場景下的光電轉化效率。

光伏電池標準太陽光下的光電轉化效率，是用來評估所有的光伏電池在室外太陽光直射條件下，光伏電池將光能轉化為電能的能力。有機光伏電池能達到的效率在18%左右。侯建輝領導的研究團隊研發制造的大面積涂覆的有機光伏電池——具有出色可加工性的有機光伏電池，其效率達到17%～18%。這個效率和現在較為成熟的無機晶硅光伏電池還存在一定的技術上的差距，無機晶硅光伏電池的轉化效率可以達到25%左右。

在光伏電池或者光伏轉化裝置在應用場景下的光電轉化能力方面，有機光伏電池在某些環境和應用場景中具有一定的優勢。例如，在室內弱光環境下，有機光伏電池對室內光的轉化效率比無機光伏電池更高。在室內光下，有機光伏電池的效率可以達到30%以上，而在同樣的室內光照條件下，無機光伏電池以及其他類型的電池，其效率約為5%（甚至更低），遠低于有機光伏電池。這是有機光伏電池適合于在室內光條件下應用的一個重要原因。

在兩類效率上，有機光伏電池有它的“特長”——對室內光轉化效率高，但在室外的應用它還略有短板，有待提高。

有機光伏電池的未來發展方向

可再生清潔能源是非常理想的能源，不受能源短缺影響的同時還環保、安全、無污染，但受到自然條件影響，水力、風力、太陽能等發電成本相對較高，需要較高的投入和維護費用，其轉化效率也不夠高。

就太陽能（光能）的有效利用來說，光伏電池的能量轉換效率、壽命和成本是決定其是否具有應用價值的重要指標，侯建輝介紹，未來他們將在這三方面進行努力探索。在光伏效率方面，他們需要使有機光伏電池達到或接近現有的成熟光伏技術的同等水平，把光伏效率提高到22%，甚至接近25%的水平。另外，因為沒有批量化制備和專門設計簡單結構的材料，現在的有機光伏電池的材料合成成本比較高，未來還需要使現在的有機光伏材料的合成成本大幅度降低，滿足未來產業化的需求。在有機光伏電池壽命方面，根據實驗室的測試來看，有機光伏電池在實驗室光照條件下照射幾千個小時完全沒有問題。但是在室外條件下，太陽光不僅有光的特征，還會帶來熱，有機光伏電池必須解決在室外太陽光直射下的穩定性問題。因此，效率、成本、穩定性是有機光伏電池未來要解決的關鍵問題。

此外，未來有機光伏電池在研究制備的過程中，綠色環保方面的問題也要關注。在有機光伏電池發展之初，采用的整個工藝并不是環保的，其實現在高效率電池大多數都不是采用環保工藝制備出來的。所謂環保工藝，印刷本身是低能耗的，從能耗角度來說，它是環保的;但是印刷有機光伏電池時必須要用到油墨，也就是我們處理有機光伏材料所使用的有機溶劑，現在大多數的高效率電池都采用有毒的溶劑進行加工，這是其中隱含的很大的問題。關于這個問題，國內外專家都開展了前瞻性的工作，比如，侯建輝團隊已經可以完成在制備過程中替代掉以前的有毒溶劑，采用綠色的制備工藝得到高效率的有機光伏電池。可以說，有機光伏電池未來在制備中是可以達到相對環保的。