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?科普| 有機太陽能電池(OSCs)

發布時間:2020年04月20日 來源:中國化學會

太陽能是指太陽的熱輻射能,又被稱為“太陽光線”。地球上自生命誕生以來。就主要依靠太陽提供的熱輻射生存。而在化石燃料日趨減少情況下,面對能源的巨大需求和日趨嚴重的環境污染問題,太陽能是大自然賦予人類的一個取之不盡、用之不竭的能源寶庫。太陽能電池又稱為“太陽能芯片”或“光電池”,是一種利用太陽直接發電的光電半導體薄片。它只要被滿足在一定光照條件下,瞬間就可以輸出電壓及在有回路的情況下產生電流。在物理學上可以稱為太陽能光伏。太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉換成電能的裝置。

目前占主導地位的太陽能電池主要以無機半導體材料構成,主要包括單晶硅、多晶硅和非晶硅無機太陽能電池。經過多年的發展,硅太陽能電池技術最為成熟,在大規模應用和工業化生成中占據主導地位。但是,提純硅工藝復雜,成本高,造成在制造硅太陽能電池過程中能耗大、污染高等問題,同時制備工藝復雜且成產設備昂貴,限制其發展。高效的非晶硅薄膜無機太陽能電池包括硫化鎘、碲化鎘、砷化鎵等多晶薄膜,但是由于鎘、砷等元素有毒性,同時會造成嚴重環境污染,因而這類材料的發展也必然受限。有機太陽能電池,顧名思義,就是由有機材料構成核心部件的半導體材料替代無機材料,以光伏效應而產生電壓形成電流,實現太陽能發電的效果。

 

太陽能電池的廣闊應用(網絡圖)

 

有機太陽能電池(OSCs)具有低成本、質量輕、超薄、柔性、易于大面積制備等諸多優點,在便攜式、柔性電池、光伏建筑供能等領域具有廣闊的應用前景。

 

柔性透明電極與柔性有機太陽能電池的示意圖(南開大學提供)




有機太陽能電池發展歷程
 

1958年美國加州大學伯克利分校Kearns和Calvin將鎂酞菁夾在兩個功函不同的電極之間,檢測到了200 mV的開路電壓;表現出了光伏效應,成功制備出了第一個有機太陽能電池(Organic Solar Cells,簡稱OSCs),但是能量轉換效率(Power Conversion Efficiency, 簡稱PCE)非常低。科學家們也一直在嘗試不同的有機半導體材料,但是所得到的PCE都很低。直到1986年,柯達公司鄧青云博士創造性制備雙層異質結有機太陽能電池,以四羧基苝的一種衍生物(PV)作為受體,銅酞菁(CuPc)作為給體,制備雙層活性層,其PEC>1%。異質結的引入,就像是給有機太陽能電池注入新鮮血液一樣,為其開辟了新的研究方向。有機太陽能電池也逐漸成為科學家的研究熱點。

鄧青云教授

雙層有機太陽能電池結構和PV、CuPc的化學結構

Appl. Phys. Lett., 1986, 48, 183-185

 

1992年,Sariciflci等人發現,激子在有機半導體材料和富勒烯的界面上可以快速實現電荷分離,并且激子分離成的電子和空穴在界面上不復合,從而更利于電荷的收集。次年他們首次將富勒烯作為活性層中的受體材料應用于有機太陽能電池器件中,并且取得較好的光伏器件能量轉換效率。在很長一段時間內,富勒烯都成為有機太陽能電池的主要受體材料。1995年,諾貝爾化學獎得主Heeger等人首次提出體異質結結構(Bulk Heterojunction Structure)的有機太陽能電池,創造性將富勒烯衍生物(PCBM)和聚苯乙炔(MEH-PPV)溶液混合,并旋涂加工,獲得具有三維互傳網絡結構的有機太陽能電池活性層,其PCE高達2.9%,自此,體異質結有機太陽能電池成為主流,并且進入快速發展期。2003年Sariciflci等人使用聚3-己基噻吩(P3HT)作為給體,富勒烯衍生物(PC61BM)為受體,制備體異質結有機太陽能電池,PCE達到3.5%。隨著加工工藝的不斷改善和提高,基于富勒烯衍生物作為受體材料的有機太陽能電池PCE已經超過10%。同時,性能優良的給受體有機半導體的不斷被開發,PCE不斷提高。中科院化學所李永舫院士、華南理工大學曹鏞院士、中科院化學所侯劍輝研究員、北京大學占肖衛教授、南開大學陳永勝教授、香港科技大學顏河教授、中南大學鄒應萍教授等國內外眾多有機太陽能電池領域的科研團隊的不懈努力以及卓越的科研工作,有機太陽能電池的PCE已經達到18%,取得巨大進展。

另外,McGehee教授的研究報告表明,基于P3HT/PC70BM和PCDTBT/PC70BM體系的有機太陽能電池各項器件參數均表現出良好的穩定性,經過理論模擬,有機太陽能電池的的理論壽命可達7年以上。有機太陽能電池的高能量轉化效率以及高穩定性,充分展現出其商業應用前景。

 

 

有機太陽能電池工作4400 h之后的器件參數

Adv. Energy Mater. 2011, 1, 491–494

 



有機太陽能電池的器件參數
 

太陽能電池器件在光照條件下測試電流密度-電壓(J-V)曲線,從中可以獲得重要的輸出特征參數:開路電壓(Voc)、短路電流(Jsc)、填充因子(FF)以及能量轉換效率(PCE)。

 

太陽能電池的電流密度-電壓(J-V)曲線

 

開路電壓(Voc)是指在沒有電流回路(正負電極斷路)時經過光照后器件產生的電壓,即太陽能電池的最大輸出電壓,單位為V;開路電壓由給體的HOMO能級和受體的LUMO能級的能級差決定。短路電流(Jsc)是指在外加電場為零時,受光照的器件在形成回路(正負電極短路)時所能產生的電流,即太陽能電池的最大輸出電流;單位為A/cm2或mA/cm2。短路電流可根據J-V曲線中,電壓為0時的電流值獲得。理論上,吸收的光子越多,短路電流越大。填充因子(FF)是電池具有最大輸出功率時的電流和電壓的乘積與短路電流和開路電壓乘積的比值,理論最大值為1。能量轉換效率(PCE)是指太陽能電池將太陽能轉化為電能的效率,是輸出功率(Pm)與入射光功率(Pin)的比值。


 

式中Voc是在開路時的光電壓;Jsc是在零電壓時的電流密度,即短路電流密度;FF為填充因子。當入射光為AM 1.5太陽光時輻射照功率為Pin = 100 mW/cm2,這也是實驗室實驗條件下的常用模擬光照輻射照功率。



有機太陽能電池的器件結構和工作原理
 

有機太陽能電池的工作原理主要包括四個重要步驟:(1)活性層吸收光子并產生激子;(2)激子擴散到給受體界面層;(3)激子在界面層分離成正負電荷,并遷移至正負電極;(4)正負電極收集正負電荷。

有機太陽能電池的器件結構可以分為單層Schottky器件、雙層異質結器件、體異質結器件和疊層器件等。

單層Schottky器件結構和工作原理

 

由于兩個電極功函數不同,有機半導體與具有較低功函數電極之間將形成Schottky 勢壘(能帶彎曲區域W),即內建電場。光照下,有機半導體材料吸收光后產生激子。由于較大的庫侖力使得這些激子不能分離成自由電子和空穴。有機半導體內激子的擴散長度一般都很小,只有擴散到Schottky勢壘附近的激子才有機會被分離,所以單層Schottky結構電池的能量轉換效率很低,在目前的有機太陽能電池研究中很少再使用這種結構。

雙層異質結器件結構和工作原理

 

在雙層異質結器件中,給體和受體有機材料分層排列于兩個電極之間,形成平面型給體-受體界面。而且陽極功函數要與給體HOMO能級匹配;陰極功函數要與受體LUMO能級匹配,這樣才有利于電荷收集。雙層異質結器件結構中電荷分離的驅動力主要是給體材料和受體材料的LUMO能級之差,即給體和受體界面處的電子勢壘。在界面處,如果電子勢壘較大,大于激子結合能,激子的解離更為有利,電子易轉移到有較大電子親和能的材料上(較低LUMO),從而使得激子有效分離,明顯高于單層結構,使得器件性能獲得很大提升。雙層異質結器件的最大優點是同時提供了電子和空穴傳輸的材料。當激子在D-A界面產生電荷轉移后,電子在受體材料中傳輸至陰極收集,空穴則在給體材料中傳輸至陽極收集。

 

體異質結器件結構和工作原理

 

在本體異質結器件結構中,給體和受體在整個活性層范圍內充分混合,D-A界面分布于整個活性層,其工作原理和雙層異質結器件結構相似,都是利用D-A界面效應來轉移電荷。主要區別在于:(1)本體異質結中的電荷分離產生于整個活性層,而雙層異質結中的電荷分離只發生在界面處的空間電荷區域。因此,本體異質結器件中的激子可以高效解離,同時激子符合降低,從而減少或者避免由于有機物激子擴散長度小而導致的能量損失;(2)由于界面存在于整個活性層中,本體異質結器件中載流子向電極傳輸主要是通過粒子之間的滲濾作用,雙層異質結器件中的載流子傳輸介質時連續空間分布的給受體,因此雙層異質結中具有相對高效的載流子傳輸效率。

本體異質結可以通過將含有給體和受體材料的混合溶液以旋涂方式制備,也可以通過共同蒸鍍的方式獲得,還可以通過熱處理的方式將真空蒸鍍的平面型雙層薄膜轉換為體異質結器件結構。

 

兩個子電池組成的疊層器件結構和工作原理

 

疊層器件結構電池是將兩個或兩個以上的電池單元以串聯的方式做成一個器件。一般子電池單元按照活性材料能隙不同采取從大到小的順序從外向背電池串聯,即與電池非輻射面(背面)最近的機構單元,其活性層材料的能隙最小。子電池1中產生的空穴和子電池2中產生的電子擴散至連接層并復合,每個子電池中只有一種電荷擴散至相對應的電極。疊層結構電池可利用不同光吸收譜的材料來改善電池對太陽光的吸收,減少高能量光子的熱損失,最終提高電池效率。由于串聯的疊層電池的開路電壓一般大于子單元結構,其轉換效率主要受光生電流的限制。因此疊層電池設計的關鍵是合理地選擇各子電池地能隙寬度和厚度,并保證各個電池之間地歐姆接觸,以達到高效能量轉換效率地目的。



有機太陽能電池展望
 

有機太陽能電池作為一種新興高效太陽能電池,近年來得到飛速發展,雖然有機太陽能電池的PCE以及達到18%,初見商業化應用曙光,但是和成熟的無機太陽能電池相比,有機太陽能電池無論從能量轉換效率、機理還是器件穩定性等方面都處于尚未成熟階段。因此,成熟的無機太陽能電池技術以及研究思路對有機太陽能電池的發展具有重要的借鑒意義。挑戰與機遇并存,隨著科學家對有機太陽能電池的不斷深入的探索,高能量轉換效率、高穩定性、可大規模生產的有機太陽能電池必將很快問世,有機太陽能電池的商業化前景可期。

 

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來源:化學通訊微信公眾號,閔陽/撰稿

 

 

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