1、有機(jī)太陽(yáng)能電池的優(yōu)勢(shì)與前景 周宇翔 王昊禺 胡劍書 趙秋辰 （北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院09 級(jí)，北京 ）摘要 簡(jiǎn)要分析了有機(jī)太陽(yáng)能電池的機(jī)理，通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)的硅基太陽(yáng)能電池，分析了有機(jī)太 陽(yáng)能電池的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池的前景作了展望。也是科學(xué)家最感興趣的話硅基太陽(yáng)能電池 但是，有機(jī)太陽(yáng)能電池關(guān)鍵詞 有機(jī)太陽(yáng)能電池；硅基太陽(yáng)能電池；電光轉(zhuǎn)化率；能源回收年數(shù)；柔性材料 0引言 能源是為人類的一切活動(dòng)提供不同種類能量的資源，是人類社會(huì)最重要的基礎(chǔ)資源之 一，可以說(shuō)是與人類的現(xiàn)在與未來(lái)密不可分的一種物質(zhì)，也因此備受人們關(guān)注。 能源按消耗后是否產(chǎn)生污染分為污染型能源（如化石燃料等）與清潔型能源（如水

2、能、 風(fēng)能、太陽(yáng)能等） 。在和諧社會(huì)與可持續(xù)發(fā)展的理念下，清潔型能源自然成為了當(dāng)前各界關(guān) 注的重點(diǎn)。清潔型能源中的太陽(yáng)能更是以其覆蓋面廣，環(huán)境限制低，又無(wú)需運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn) 而成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。 太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)與利用主要分為熱能利用以及光能利用：一方面人們通過(guò)利用陽(yáng)光加熱水 產(chǎn)生蒸汽等方式以利用其內(nèi)能，另一方面人們用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能來(lái)進(jìn)行利 用。綜合比較， 因電能更易儲(chǔ)存和輸送， 將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能更有利于人們對(duì)太陽(yáng)能的綜合 利用。因此太陽(yáng)能電池在近幾十年中不僅是人們重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題， 題之一。 目前，從太陽(yáng)能電池的市場(chǎng)的結(jié)構(gòu)來(lái)看，硅材料的太陽(yáng)能電池是主流， 占有市場(chǎng) 80% 以上 1 ，

3、而有機(jī)太陽(yáng)能電池只占其中很小的一部分。 具 有一定的優(yōu)勢(shì)與前景， 作為新近的研究重點(diǎn)同樣受到了關(guān)注， 所以本文將就各類的太陽(yáng)能電 池的結(jié)構(gòu)、 光電效率、生產(chǎn)技術(shù)成本、市場(chǎng)前景等方面做比較，綜合討論有機(jī)太陽(yáng)能電池的 優(yōu)缺點(diǎn)。Edmund1太陽(yáng)能電池原理 太陽(yáng)能電池是一種可以將光能轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體裝置，基于法國(guó)物理學(xué)家 Becquerel 在 1839 年發(fā)現(xiàn)的光伏效應(yīng) （ Photovoltaic Effect ）制成 2。例如 P-N 異質(zhì)結(jié) 結(jié)構(gòu)，當(dāng)光照射在n型半導(dǎo)體與 P型半導(dǎo)體之間的復(fù)合結(jié)構(gòu)上時(shí)，n型半導(dǎo)體中的電子作為 主要載流子離開(kāi)原來(lái)的位置，產(chǎn)生空穴，而 P-N 復(fù)合結(jié)構(gòu)的界面處將

4、產(chǎn)生電場(chǎng)。將電子與 空穴分開(kāi)（如圖 1 所示）從而產(chǎn)生光電壓而形成電流，其他的結(jié)構(gòu)同樣可以產(chǎn)生電場(chǎng)而將 電 子與空穴分離。這就是太陽(yáng)能電池將光能轉(zhuǎn)化為電能的基本原理。圖1 P-N復(fù)合結(jié)構(gòu)的界面產(chǎn)生電場(chǎng)示意圖-2 -2有機(jī)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)與原理2.1 有機(jī)太陽(yáng)能電池的原理有機(jī)太陽(yáng)能電池以具有光敏性質(zhì)的有機(jī)物作為半導(dǎo)體的材料，以光伏效應(yīng)而產(chǎn)生電壓形 成電流。主要的光敏性質(zhì)的有機(jī)材料均具有共軛結(jié)構(gòu)并且有導(dǎo)電性，如酞菁化合物、卟啉、 菁（ cyanine）等。P-N異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、染料敏化納2.2 有機(jī)太陽(yáng)能電池的幾種結(jié)構(gòu) 有機(jī)太陽(yáng)能電池按照半導(dǎo)體的材料可以分為單質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)、 米晶結(jié)構(gòu)。/金2.3 單質(zhì)結(jié)結(jié)

5、構(gòu) 單質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是以 Schotty 勢(shì)壘為基礎(chǔ)原理而制作的有機(jī)太陽(yáng)能電池。其結(jié)構(gòu)為玻璃由于電子空穴均在同一種材料中傳遞， 所以屬電極 /染料/ 金屬電極，利用了兩個(gè)電極的功函不同，可以產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，電子從低功函的 金屬電極傳遞到高功函電極從而產(chǎn)生光電流。其光電轉(zhuǎn)化率比較低 3 。2.4 P N 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)N 型半導(dǎo)體與 P 型半導(dǎo)體)的異質(zhì)結(jié)結(jié) 如酞菁類化合物、 北四甲醛亞胺類化合物 4 ，P-N 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是指這種結(jié)構(gòu)具有給體 -受體 構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖。 其中半導(dǎo)體的材料多為染料， 利用半導(dǎo)體層間的 D/A 界面以及電子空穴分別在不同的材料中傳遞的特性，使分離效率 提高。 Elias Stath

6、atos 等人結(jié)合無(wú)機(jī)以及有機(jī)化合物的優(yōu)點(diǎn)制得的太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化率 在 5%6%5 。2.5 NPC(nanocristaline photovoltaic cell) 染料敏化納米晶染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC主要是指以染料敏化的多空納米結(jié)構(gòu)TiO2薄膜偉光陽(yáng)極的一類太陽(yáng)能電池。它是仿生植物葉綠素光合作用原理的太陽(yáng)能電池。而NPC 太陽(yáng)能電池可選用適當(dāng)?shù)难趸€原電解質(zhì)從而使光電效率提高，一般可穩(wěn)定于10%，并且納米晶 TiO2制備簡(jiǎn)便，成本低廉，壽命可觀，具有不錯(cuò)的市場(chǎng)前景。3各類太陽(yáng)能電池效率及對(duì)比及優(yōu)勢(shì) 鑒于現(xiàn)下的太陽(yáng)能電池市場(chǎng)的組成主要為硅基太陽(yáng)能電池，其余的以有機(jī)太陽(yáng)能電池為 主，

7、所以我們?cè)俅螌?duì)這兩種電池從光電轉(zhuǎn)化率、成本、單獨(dú)制作、使用性能方面進(jìn)行比較。3.1 光電轉(zhuǎn)化率的對(duì)比從前文我們可以看到，有機(jī)太陽(yáng)能電池中的DSSC 以及 NPC 結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化率目前最高能達(dá)到 10%左右。而對(duì)于硅基太陽(yáng)能電池，由于發(fā)展比較早，其工藝比較成 熟，轉(zhuǎn)化率比較高。 提高轉(zhuǎn)化效率主要是通過(guò)單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝， 例如德國(guó) 費(fèi)萊堡的夫朗霍夫太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所，他們采用一定的處理方法制得的電池轉(zhuǎn)換效率超過(guò)236。 從數(shù)據(jù)上來(lái)看，當(dāng)前的有機(jī)太陽(yáng)能電池比硅基的太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化率低約10%，有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化率低現(xiàn)在仍是一個(gè)重要的制約其推廣的問(wèn)題。 由此可見(jiàn)， 如

8、何提高轉(zhuǎn)化 率有機(jī)太陽(yáng)能電池是有機(jī)太陽(yáng)能電池的推廣的重點(diǎn)問(wèn)題。3.2 成本以及工藝的的對(duì)比有機(jī)太陽(yáng)能電池中 NPC 材料主要是納米 TiO2 以及有機(jī)復(fù)合材料，這二者的生產(chǎn)成本均 遠(yuǎn)低于高精硅的提煉， 從中我們可以預(yù)見(jiàn)到有機(jī)太陽(yáng)能電池的成本低廉， 事實(shí)上， 現(xiàn)下的有-3 -機(jī)太陽(yáng)能電池成本平均為硅基太陽(yáng)能電池的10%-20%。從生產(chǎn)工藝上講，硅基太陽(yáng)能電池主要重點(diǎn)是硅的表面微結(jié)構(gòu)處理，以及硅的提純處理 技術(shù)。 有機(jī)太陽(yáng)能電池的材料研發(fā)周期比較長(zhǎng)， 但是投入生產(chǎn)以后十分便捷， 并且有機(jī)太陽(yáng) 能電池的精細(xì)程度比較容易掌握，有良好的市場(chǎng)前景。3.3 使用性能的對(duì)比 為衡量太陽(yáng)能電池的成本，我們引入了

9、能源回收年數(shù)的概念：能源回收年數(shù) =生產(chǎn)太陽(yáng)能電池所消耗的能量 /每年利用太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化的能量 單晶硅多晶硅為 19.3 年，采用連續(xù)加料爐可減至 16 年，采用電子計(jì)算機(jī)控制 14 年， 帶狀多晶太陽(yáng)能電池 9年，a硅太陽(yáng)能電池1.5年。而有機(jī)太陽(yáng)能電池能源回收年數(shù)僅 為傳統(tǒng)硅電池的 10%15%。 材料物理性質(zhì)：有機(jī)材料多屬柔性材料，超薄的有機(jī)太陽(yáng)能電池也具有柔性，可以進(jìn)行 折疊、卷曲。由于有機(jī)材料密度比較輕， 因此方便攜帶。 硅基太陽(yáng)能電池不能進(jìn)行彎曲折疊， 并且密度較大，不便于攜帶。 由此可見(jiàn)，有機(jī)太陽(yáng)能電池的壽命相當(dāng)可觀，方便實(shí)際使用，可以符合市場(chǎng)的實(shí)際需要。 雖然受技術(shù)條件限制還存

10、在環(huán)境適應(yīng)性差、光電轉(zhuǎn)化率不高等缺點(diǎn)，但仍有獨(dú)特的優(yōu)越性， 具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。4. 有機(jī)太陽(yáng)能電池的前景4.1 技術(shù)前景（1）提高能量轉(zhuǎn)化率 現(xiàn)今有機(jī)太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化率最高達(dá)到6.5%，只能驅(qū)動(dòng)耗電極少的用電器工作。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家必將研制出轉(zhuǎn)化率更高的電池。屆時(shí)，手機(jī)、 MP3 等常用工具將擺脫 充電麻煩的問(wèn)題，使人們的生活更加富有機(jī)動(dòng)性。 提高能量轉(zhuǎn)化率可以在以下幾方面進(jìn)行改進(jìn)： 優(yōu)化表面結(jié)構(gòu)，將電池表面反射的光重新聚集進(jìn)入電池； 使用反射鍍膜復(fù)活光子和制造多結(jié)多禁帶結(jié)構(gòu)電池捕獲寬波長(zhǎng)的光子從而獲得合理 的光子吸收率；7 使用低電阻率和小覆蓋面的金屬作為前點(diǎn)擊已獲得最大填充因子和

11、較大光電流 制造由納米級(jí)材料組成的光電池。納米材料是由超細(xì)微粒組成的，其邊界區(qū)的體積 大約是材料總體積的 50%，這樣的結(jié)構(gòu)可能會(huì)帶來(lái)神奇性能 8。（2）便攜、可折疊與 Si 基太陽(yáng)能電池相比，有機(jī)太陽(yáng)能電池的一大特點(diǎn)就是質(zhì)量輕，柔軟而可折疊。眾 所周知， 太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的功率與其受垂直光照的面積成正比。如果將有機(jī)太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)成輕薄柔軟的材料， 做成類似陽(yáng)傘的形狀，既減小了體積，方便了攜帶，又可在有陽(yáng)光的時(shí) 候隨時(shí)充電，實(shí)用性很強(qiáng)。（3）仿生學(xué)應(yīng)用 自然界有很多能夠高效轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能的酶。以光合作用的第一步光反應(yīng)為例，通過(guò)原初反 應(yīng)使光系統(tǒng)的反應(yīng)中心發(fā)生電荷分離， 產(chǎn)生的高能電子推動(dòng)著光合膜上的

12、電子傳遞， 這種方 法的光能轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到42%之多 9。隨著新型仿生技術(shù)的發(fā)展，達(dá)到，甚至超越這個(gè)數(shù)值是很可能的。-4 -（4）兩種模型猜想 層狀模型 采用透光性能較好的材料作為極板材料，采取多層疊加的方式，每一層使用不同的光敏 材料以吸收不同波長(zhǎng)的光，從而達(dá)到盡可能多的吸收太陽(yáng)光輻射的目的。這樣做優(yōu)點(diǎn)有二：a. 有針對(duì)性的吸收特定長(zhǎng)度的光更加便于控制，與傳統(tǒng)的廣譜吸光相比轉(zhuǎn)化率更高。b. 光線可以在層間發(fā)生反射，有效地降低了光能向外界的耗散。 針狀模型。 將有機(jī)太陽(yáng)能電池做成柔軟的針狀，并相對(duì)緊密的排列，增加其比表面積。光線照射在 上面時(shí)， 通過(guò)在針間的無(wú)數(shù)次反射減少光能向外界的耗散。 由

13、于硅基太陽(yáng)能電池多為剛性材 料，質(zhì)地脆而硬，制作上述電池有很大危險(xiǎn)，因此選用有機(jī)太陽(yáng)能電池?zé)o疑為更好的選擇。4.2 應(yīng)用前景已知太陽(yáng)光照射到地球上的平均能量密度為1376W/平方米9，假設(shè)能量轉(zhuǎn)化率已達(dá)到為30%。城市每個(gè)三口之家每天的平均用電量為3kw h9，平均太陽(yáng)光照時(shí)間 4h，則只 需不足 2 平方米太陽(yáng)能電池板即可為之提供充足的電力。另一方面，家庭電路最大熔斷電流一 般在 20A 左右，最大瞬時(shí)功率 4400W 。達(dá)到此瞬時(shí)功率只需 10 平方米左右的太陽(yáng)能電池板 即 可。工廠、學(xué)校的等大型耗電場(chǎng)所則依靠水利、風(fēng)力發(fā)電、核能發(fā)電等途徑獲得電力。這種 多層次的供電體系既可以保證社會(huì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，也充分利用了清潔能源。由上述計(jì)算我們也以大致看出，太