有机光伏电池的发展现状及趋势

与本章前面介绍的各种电池具有本质差别的新型电池为有机光伏电池（Organic PV cells）。顾名思义，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。在有机材料中光子的吸收并不立即产生电子和空穴，而是产生一个激子（Exciton）。激子实际上是一个被约束的电子空穴对，为了将其中的电荷释放出来就必须克服这种约束。为此人们研究了多种机制，形成了有赖于这些机制的不同类型有机光伏电池。

1.“肖特基型”的有机电池

第一个有机光伏电池属于通常被称为“肖特基型”的有机电池，它采用的有机材料为镁酞菁（MgPc）染料，将染料层夹在两个功函不同的电极之间得到了200mV的开路电压。这种电池中，光子的吸收在有机半导体膜内产生一对电子和空穴，其中电子被低功函的电极提取，而空穴则被来自高功函电极的电子填充，由此形成光电流。有机半导体膜与两个不同功函的电极接触时所形成的肖特基势垒就是光致电荷定向传递的基础。在这种电池内，光激发形成的激子只有在肖特基结的扩散层内依靠电场作用才能得到分离。其他位置上的激子由于迁移距离有限（通常小于10nm），大多数在分离成电子和空穴之前就复合了。这种电池的转换效率较低，通常不大于1%。

2.双层膜有机电池

另外一类有机电池采用了双层膜结构，双层膜的本质是用两种有机半导体材料来模仿无机异质结。在异质结有机电池中通常将p型材料称为给体（Donor），把n型材料称为受体（Acceptor）。如果光从给体材料一侧入射，激子中的电子就顺着价带能量降低的方向，从给体的导带转移至受体的导带；而空穴则顺着导带能量升高的方向从受体的价带转移至给体区的价带。当电子和空穴从激子中分离开以后就成为自由电子和空穴分别扩散至电极，从而产生光电流。异质结明显地提高了激子分离的效率，最早的一种异质结电池采用称为PV的有机染料四羧基苝的一种衍生物和铜酞菁（CuPc）组成双层膜。光电转化效率达到1%左右。1992年，人们发现激发态的电子能极快地从有机半导体分子注入到C₆₀分子中，而反向的过程却要慢得多。也就是说激子在有机半导体材料与C₆₀的界面上可以以很高的速率实现电荷分离，因此C₆₀是一种良好的电子受体材料。在此发现的基础上，采用一种典型的P型有机半导体材料PPV和C₆₀制作了双层膜异质结太阳能电池。目前异质结有机电池的转换效率可达到6%。

双层膜电池中虽然两层膜的界面有较大的面积，但激子仍只能在界面区域分离，离界面较远处产生的激子在向电极运动的过程中大量损失。因此人们在双层膜异质结电池的基础上又提出了一个称为整体异质结（Bulk Heterojunction）的概念，就是将给体材料和受体材料混合起来制成一个我中有你，你中有我的混合薄膜，在任何位置产生的激子都可以通过很短的路径到达给体与受体的界面（即结面），同时，在界面上形成的正负载流子亦可通过较短的途径到达电极。相对于双层膜电池，此种结构的效率提高相当明显。(www.xing528.com)

3.染料敏化电池

另一种新型的光伏电池也可以归入有机光伏电池之列，那就是染料敏化太阳电池（Dye-sensitized Solar Cell），由瑞士洛桑高等工业学院M·Gratzel教授小组于1991年推出。这种电池的突破主要是模仿了光合作用原理。其基板可以是玻璃，也可以是柔性透明的聚合物箔。基板上有一层通常是二氧化硅的透明导电氧化物，再在其上生长一层约10μm纳米多孔二氧化钛（TiO₂）粒子形成的厚的薄膜，然后涂上一层三联吡啶钌衍生物染料附着于TiO₂的粒子上。上层的电极除了玻璃或聚合物以及TCO还添加铂作为电解质反应的催化物。二层电极间则注入电解质。这种电池的工作原理是染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，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。1998年Cratzel等又成功制作了全固态染料纳米晶太阳能电池，克服了因液态电解质而存在的一系列问题。2003年他们又通过掺杂进而改善了其性能。目前，染料敏化电池的最高转换效率约在10%左右。

染料敏化太阳电池的制造过程简单，甚至可以在普通实验室制作。它的主要优势是原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。

钙钛矿型太阳电池（Perovskite Solar Cells），是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳电池，即是将染料敏化太阳电池中的染料作了相应的替换。目前在高效钙钛矿型太阳电池中，最常见的钙钛矿材料是碘化铅甲胺。钙钛矿太阳电池是一种新型薄膜光伏技术，2009年首次被报道，在2013年被Science评为十大科技进展之一。钙钛矿太阳电池仅仅花了6年时间其光电效率便达到了22.1%，与商业化多年的硅基电池、多晶硅电池、CIGS、CdTe等化合物薄膜电池相当。但是，钙钛矿电池普遍存在稳定性问题，很多电池在测试的过程中就发生了衰变，钙钛矿太阳电池也普遍存在迟滞现象，这些问题减缓了钙钛矿太阳电池走向商业化的进程。