太阳能利用新法

如果能把太阳能电池喷刷在墙上、打印在纸上甚至是印刷在衣服上，人们将能随时随地获得取之不尽用之不竭的太阳能。这就是有机塑料太阳能电池发展的新趋势。

在太阳能的有效利用当中，太阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，也是其中最受瞩目的项目之一。制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其原理是：当太阳能电池受到阳光照射时，电子接受光能，向N型区移动，使N型区带负电，同时空穴向P型区移动，使P型区带正电。这样，在P－N结两端便产生了电动势，也就是通常所说的电压。如果这时分别在P型层和N型层焊上金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。(如图1)

根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：硅太阳能电池、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池、有机功能材料制备的大阳能电池、纳米晶太阳能电池等。不论以何种材料来制作电池，对太阳能电池材料一般的要求有：半导体材料的禁带不能太宽；要有较高的光电转换效率；材料本身对环境不造成污染；材料便于工业化生产且材料性能稳定。

有机太阳能电池原理

提高转换效率和降低成本是太阳能电池制备中考虑的两个主要因素。基于硅等无机材料的太阳能电池，其光电转换效率已经超过了10％，并且早已商品化。然而无机太阳能电池只在高端科技和小型商品如卫星、计算器等中应用，并没有得到广泛的应用。其中最主要的原因是无机太阳能电池的生产需要高温(400～1400℃)、高真空和无数刻蚀步骤，在生产过程中也需要浪费大量的能源，其成本无法降低到可以广泛应用的程度，不能缓解日益紧张的能源问题。另外，无机材料的不可降解性也对环境产生不利的影响。有机太阳能电池的出现将在不久的将来改变这一现象。有机薄膜的导电性能使其在制造薄型轻质０电池、高分子聚合物电池方面有着极其广阔的应用前景。这种能够在多种材质表面“印制”的太阳能电池因具有成本低廉、制造容易、重量轻和易弯曲的特点而成为目前研究的热点。

有机太阳能电池是一种正在进行研究的新型电池，其原理是利用不同氧化还原型有机材料的不同氧化还原电势，在导电材料（电极）表面进行多层复合，制成类似无机P－N结的单向导电装置。其中一个电极的内层由还原电位较低的有机材料修饰，外层有机材料的还原电位较高，电子转移方向只能由内层向外层转移；另一个电极的修饰正好相反，并且第一个电极上两种有机材料的还原电位均高于后者的两种有机材料的还原电位。当两个修饰电极放入含有光敏化剂的电解波中时，光敏化剂吸光后产生的电子转移到还原电位较低的电极上，还原电位较低电极上积累的电子不能向外层有机材料转移，只能通过外电路通过还原电位较高的电极回到电解液，因此外电路中有光电流产生。由于有机材料柔性好、制作容易、材料来源广泛、成本低、产品形式多样等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。

有机太阳能电池的三种形式

有机太阳能电池有三种基本形式：萧特基型太阳能电池、P-N异质结太阳能电池、染料敏化太阳能电池。

1． 萧特基型太阳能电池

萧特基势垒型太阳能电池是早期有机太阳能研究的重点。电池的结构为：透明导电基片/染料/金属电极。入射光子被有机材料吸收后产生电子和空穴对，并分离成自由载流子而传输到电极的两边。受结构的影响，其光谱吸收的范围较窄；其欧姆接触是A1和In等形成的，造成稳定性差，光通过结构的效率低。常见的有机光电材料均可被制成萧特基型有机太阳能电池，如酞菁化合物、卟啉类、菁等，多为P型半导体。这些材料具有容易合成、价格便宜、光导能力强等优点，通过添加有机染料、合成新型材料和改进器件结构等方法，可以使它得到更广阔的发展。

2．P-N异质结太阳能

为了克服萧特基太阳能电池在载流子扩散过程中，因与杂质等陷阱复合而导致器件效率下降的缺陷，使用P-N异质结以提高光伏效率。电池的结构：透明导电基片/P型半导体（电子给体）材料/N型半导体（电子受体）材料/金属电极，或透明导电基片/P型半导体（电子给体）材料：N型半导体（电子受体）材料/金属电极。当光照射到P/N复合层时，光生电子和空穴发生扩散，电子向N型区域迁移，空穴向P型区域迁移，由于存在P-N异质结界面，电子和空穴不容易相互接近而复合，从而使电子和空穴顺利地通过P/N复合层中的互穿导电网络而传输，提高了太阳能电池能量转换效率。

由于有机材料所固有的性质，在电池中，激子、载流子、吸收光子等还有较大的损失，导致电池的能量转换效率低。目前对有机异质结太阳能电池的研究主要在以下几个方面：一是多功能材料的合成开发；二是器件结构的改进；三是器件制备技术即薄膜技术的改进。

3． 染料敏化太阳能电池

宽带隙半导体(如TiO2、SnO2)的禁带宽度相当于紫外区的能量, 因而捕获太阳光的能力非常差,无法直接用于太阳能的转换。研究发现,将这些与宽带隙半导体的导带和价带能量匹配的一些有机染料吸附到半导体表面上,利用有机染料对可见光的强吸收从而将体系的光谱响应延伸到可见区,这种现象称为半导体的染料敏化作用。

染料敏化太阳能电池的出现为光电化学电池的发展带来了革命性的创新，稳定性和光电转化效率都有了很大的提高。电池的结构为：透明导电基片/多孔纳米二氧化钛/染料敏化剂/空穴传输材料/电极。其工作原理是，染料分子吸收太阳光能后跃迁到激发态，但激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiO2导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入TiO2导带中的电子最终进入导电膜，然后通过外回路产生光电流。

与无机太阳能电池相比，这种太阳能电池还存在寿命、效率、机理等未解决的问题。对这些问题的解决将是其研究的重点和发展方向。

有机太阳能电池的发展

早在上世纪70年代的能源危机时，世界上第一块有机太阳能电池便已经问世，它是萧特基型电池，但当时这种电池光电转换率只有0.1％。1986年，P-N异质结有机太阳能电池问世。之后，人们通过改进P-N结的结构，制作了P-N混合体异质结有机太阳能电池、多层P-N结有机太阳能电池，进一步提高了电池的光电转化效率。1991年，以瑞士洛桑高等工业学院M.Gratzel教授为首的研究小组采用高比表面积的纳米多孔TiO2膜作半导体电极，以过渡金属Ru以及Os等有机化合物作染料，并选用适当的氧化还原电解质研制出染料敏化太阳能电池，并很快将它的光电转化效率提高到10％～11％，接近了传统无机太阳能电池。

进入21世纪，有机太阳能电池又迎来了飞速的发展。德国西门子公司的研究人员利用导电塑料和碳-60分子制作的新型电池的光电转化效率达到10％。美国贝尔实验室利用并五苯等有机材料制备的电池的最佳光电转化效率也达到4.5％。普林斯顿大学的Forrest研究小组在美国的《科学》杂志上发表了他们利用放在有机材料上的“金属帽”提高光电转化效率的方法。

虽然在改善有机太阳能电池的性能方面取得了很大的进展，但在光电转换效率等方面与无机太阳能电池相比还有一定的差距。为了开发出能量转换效率高、生产成本低廉的太阳能电池，还要对有机太阳能电池设计的几个关键因素进行更深入的研究，即电池的运作机理、电池的材料设计和电池的制作工艺。

有关太阳能电池理论研究的报道较少，机理研究还没有重大的突破，找到合适的理论依据指导太阳能电池的设计，仍然是今后需要解决的重要问题。在材料方面，一是要寻找合适的电子和空穴传输材料，保证电子空穴对能够有效地分离和传导,降低电子和空穴在传输过程中的复合和耗散几率;二是设计理想的染料，使它能够在更大的波长范围内有良好的吸收，提高电池的性能。优化电池表面结构、利用电极的修饰、增加有机材料的接触面积等，都是设计有机太阳能电池结构时需要考虑的问题。改进电池的制作工艺，以提高器件的稳定性和寿命等，也是有机太阳能电池产业化和实用化所必须的。