太阳能聚合物电池的原理及发展前景

　1. 有机/聚合物太阳能电池的基本原理
　　有机/聚合物太阳能电池的基本原理是利用光入射到半导体的异质结或金属半导体界面附近产生的光生伏打效应（Photovoltaic）。光生伏打效应是光激发产生的电子空穴对一激子被各种因素引起的静电势能分离产生电动势的现象。当光子入射到光敏材料时，光敏材料被激发产生电子和空穴对，在太阳能电池内建电场的作用下分离和传输，然后被各自的电极收集。在电荷传输的过程中，电子向阴极移动，空穴向阳极移动，如果将器件的外部用导线连接起来，这样在器件的内部和外部就形成了电流。对于使用不同材料制备的太阳能电池，其电流产生过程是不同的。对于无机太阳能电池，光电流产生过程研究成熟，而有机半导体体系的光电流产生过程有很多值得商榷的地方，聚合物电池也是目前研究的热点内容之一，在光电流的产生原理方面，很多是借鉴了无机太阳能电池的理论（比如说其能带理论），但是也有很多其独特的方面，现介绍如下：
　　一般认为有机/聚合物太阳电池的光电转换过程包括：光的吸收与激子的形成、激子的扩散和电荷分离、电荷的传输和收集。对应的过程和损失机制如图1所示。

图1 聚合物太阳能电池光电转换过程和入射光子损失机理
　　1.1 光吸收与激子的形成
　　当太阳光透过透明电极ITO照射到聚合物层上时，不是所有的光子都能被聚合物材料所吸收的，只有光子能量hν大于材料的禁带宽度Eg时，光子才能被材料吸收，激发电子从聚合物的最高占有轨道（HOMO）跃迁到最低空轨道（LUMO），留在HOMO中的空位通常称为“空穴”，这样就形成了激子，通常激子由于库仑力的作用，具有较大的束缚能而绑定在一起。对于入射到地面的太阳光谱从其能量分布来看，大约在700nm处能量是最强的，因而所使用的激活层材料其吸收光谱也应该尽量的接近太阳的辐照光谱，并且在700nm处达到最强的吸收，这样有力于激活层材料对光的吸收和利用。但是从目前研究的聚合物材料来看，其吸收光谱均不能与太阳光谱很好的匹配。
　　1.2 激子扩散和电荷分离
　　通常情况下，光激发产生的激子要经过一定的路径，传输到合适的位置才能进行解离。在传输过程中激子迁移的动力是扩散。当束缚的激子扩散到由半导体/金属、有机层/有机层、有机层/无机层所形成的界面处可以完成激子的解离。但是激子的扩散长度是有限的，一般在10nm左右，距离界面10nm以外的激子是得不到解离的，对光电流没有贡献。当激子迁移到界面处，并在界面处解离成功才能形成自由的载流子（正、负电荷），自由的载流子在内建电势或是外加电场力的作用下，会产生定向的运动，从而使两种载流子分开。
　　1.3 电荷的传输和收集
　　电子在聚合物中的传输是以跳跃的方式进行的，迁移率比较低。如MEH-PPV（聚2-甲氧基－5-（2'-乙基－己氧基）－1,4-亚苯基亚乙烯基）的空穴迁移率是10-7cm2/V·S，聚噻吩的是10-5cm2/V·S，而在这两种材料中电子的迁移率要远低于空穴的迁移率。向两个电极传输的正负电荷，最终会传输到电极处被各自的电极收集。因而电荷的收集效率也是影响光伏器件功率转换效率的关键因素。主要影响电荷收集的因素是电极处的势垒，再有就是激活层与电极界面的接触情况。
　　2. 有机/聚合物光伏器件结构
　　聚合物太阳能电池是有机太阳能电池研究的一个组成部分。围绕提高有机太阳能电池效率的研究，在过去的几年中取得了大量成果，从材料的选择到器件结构的优化都进行了不同程度的改进。在器件设计方面有机太阳能电池出现了四种结构：单层器件、双层或多层器件、复合层器件、层压结构器件，图2给出了这四种方式结构示意图。采用这些器件结构的耳的在于通过提高有机分子材料中电荷分离和收集的效率来得到较高的电池转换效率。

图2 四种典型聚台物太阳能电池的结构
　　3. 有机/聚合物光伏器件的材料
　　作为聚合物光伏器件的共轭材料必须具备这样的功能：分子链中存在共轭体系并能通过部分离域的π和π’轨道完成光吸收和电荷传输过程；可溶性聚合物可通过溶液旋转涂膜、刮涂成膜、丝网印刷、层压旋转涂膜或电化学等方法成膜。
　　目前常用于聚合物太阳能电池研究的聚合物材料主要包括聚噻吩（PTH）衍生物、聚苯乙炔（PPV）衍生物、聚苯胺（PANI）以及其它类聚合物材料。这类聚合物都具有大的π-共轭体系，存在较宽的π与π﹡能带，可通过掺杂或化学分子修饰来调整材料的电导性，使带隙降低，通常为2.0～2.2eV，可有效地吸收太阳光。例如MEH-PPV具有很强的吸收峰且吸收系数很高，在吸收峰最大值时200nm厚的聚合物薄膜就可吸收90%的入射光。在所有这类聚合物中，PTH和PPV的光电性能以及特有的分子构架使得其在聚合物太阳能研究中较为活跃。除了共轭聚合物外，富勒烯族材料由于具有良好的π共轭体系、高的电子亲和能与离子活化能、大的可见光范围消光系数以及光稳定性较强，因而在聚合物光伏电池研究中也颇为看好。碳纳米管由于其独特的纳米性能也受到青睐。
　　具有多功能光电特性的聚合物太阳能电池材料应该通过分子设计将朝如下方向发展：
　　（1）具有可调的电、光特性，如：带隙、电子亲合能及传输特性；
　　（2）加工简单，可制成大面积薄膜并厚度可控；
　　（3）与受体材料相溶性好，可制成内部微结构均一的复合体；
　　（4）材料及制备技术成本要低。
　　4. 聚合物太阳能电池的应用前景及发展方向
　　聚合物光电池经过一系列的改进之后，有望使用于一定的商业用途。由于性能参数接近于非晶硅光电池的水平，以及原料便宜、制造简单的优势，聚合物光电池已经可以应用于非晶硅光电池的所有应用领域。聚合物光电池在具体实际应用上，初期应用目标是民用电器如计算器、电子表、小型仪表及儿童玩具等的电源。这些应用所需光源强度多为室内照明光源强度：0.1～1mW/cm2。特别要指出的是由于这类光电池是全固体组成，将特别适用于即将兴起的手提式个人数据处理器（PDA）、手机、行动电话、电子图书及电子报纸的电源。
　　尽管聚合物光电池的研究取得了重大进展，获得了较高的开路电压，但聚合物光电池同目前应用领域占主导地位的无机光电池相比，其主要问题仍然是光电能量转换效率较低，较低的填充因子（Fill factor）及短路电流限制光电能量转换效率。较低的光电流是由于较低的光吸收以及光电流产生和传输中的较大损耗造成的，而低的填充因子则是由于低的电荷传输和高的复合所致。因此目前各国研究人员的研究方向大多数集中在：
　　（1）改善光吸收，主要是使用具有近红外或者红外吸收的聚合物或染料；
　　（2）改善光电流的产生，使用具有高流动性的聚合物及高有序相的液晶材料；
　　（3）使用具有高迁移率的无机纳米材料；
　　（4）器件制备过程的优化与稳定性的探索；
　　（5）对聚合物光伏器件物理理论及实验技术的探索。
　　聚合物固体薄膜太阳能电池器件的优化工作可通过器件物理的进一步优化来实现：
　　（1）通过选择合适的金属电极使之达到欧姆接触，从而有效地收集光生载流子：
　　（2）优化D/A的匹配，同时调整共轭聚合物的带隙使之能更好地吸收太阳光：
　　（3）优化相分离复合材料的网络形态来提高载流子的产生和传输效率，同时要求电荷载流子在复合体异质结的不同组分中吸收和迁移达到最大。