有机太阳能电池：应用前景与发展趋势

近年来随着太阳能光伏系统的大量应用与普及，迫切需要研制成本低、资源丰富以及对环境友好的新型太阳电池，作为新一代太阳电池，有机 (Organic) 太阳电池受到人们的极大关注。有机太阳电池是由有机材料 (有机化合物) 制成的太阳电池，可分为染料敏化太阳电池和有机薄膜太阳电池两种。有机太阳电池具有轻便、柔软、原材料价格便宜、不需大型制造设备、制造成本较低、耐久性较弱、转换效率较低等特点。虽然转换效率较低，但由于以上特点，有机太阳电池有望成为下一代广泛应用的新型太阳电池。下面介绍这两种太阳电池的特点、构成、发电原理、组件以及应用情况等。

3.3.5.1 染料敏化太阳电池

1. 染料敏化太阳电池

染料敏化 (Dye-Sensitized) 太阳电池的研究始于20世纪60年代，当初的转换效率较低，1991年瑞士科学家研制出了转换效率7%的太阳电池，引起了人们的关注。目前芯片的转换效率已经达到11%左右，组件的转换效率为8.5%左右。与硅材料的太阳电池相比，染料敏化太阳电池具有批量生产容易、制造成本较低等特点，由于采用节能、高速制造的方法，所以制造成本较低，设备投资较少，发电成本较低。目前，染料敏化太阳电池的发电成本约为晶硅太阳电池的一半，甚至更低。作为下一代新型太阳电池未来将会得到广泛应用与普及。

2. 染料敏化太阳电池的构成

染料敏化太阳电池由透明电极、氧化钛TiO2电极、染料、含有碘酸的电解液以及白金或碳电极(正极) 等构成，如图3.17所示。氧化钛TiO2电极是一种将表面附着有染料的纳米大小的氧化钛TiO2微粒子制成叠层多孔状的薄膜电极 (负极)。染料起吸收光能并放出电子的作用，一般使用可吸收从可见光到近红外范围光能的钌(Ru) 络化体。TiO2半导体几乎不吸收可见光，所以染料起敏化剂的作用，而之所以使用氧化钛TiO2微粒子是为了使其表面能吸收更多染料。而碘酸I起协调氧化还原反应过程中电子移动的作用。

图3.17 染料敏化太阳电池的构造

3. 染料敏化太阳电池的发电原理

在染料敏化太阳电池中，染料吸收光后所产生的电子进入TiO2半导体的导带，经过透明电极 (TCO) 和外部电路流向白金电极 (正极)，另一方面，电解液中的碘酸(I) 获得来自正极的电子变成I－，之前失去电子的染料从电解液中的I－得到电子进行再结合，当电路中接入负载时由于电子移动的结果产生电能。简单地说，在染料敏化太阳电池中，氧化钛微粒子表面附着的染料吸收可见光后产生电子和空穴，在电子和空穴以及碘酸酸溶液的氧化还原电位差作用下产生电能。

这里所介绍的染料敏化太阳电池中使用了电解液，因此称为湿式太阳电池，由于使用电解液存在泄漏的可能，最近已经开发出了固体电解质的染料敏化太阳电池。另外，使用从植物中抽出的有机染料制成的太阳电池也已经问世。

4. 染料敏化太阳电池组件

图3.18为染料敏化太阳电池，其转换效率与所使用的有机染料的种类有关，使用典型的染料N719、N3以及Ru等时，其研究阶段的太阳电池芯片的转换效率为11%左右，组件为8.5%左右。另外，根据有机染料吸收的光的波长，即改变有机染料的颜色，可任意改变太阳电池的颜色，以满足各种不同的需要。

图3.18 染料敏化太阳电池

5. 染料敏化太阳电池的应用

对染料敏化太阳电池来说，既可以制成透明的太阳电池，也可以使用吸收波长不同的染料制成绚丽多彩的太阳电池，还可使用塑料衬底制成柔软、轻便的太阳电池，这些太阳电池可作为窗玻璃电池使用，也可用于计算机、手机以及家电的辅助电源，由于染料敏化太阳电池还存在转换效率低、耐久性差等问题，目前主要在室内使用。图3.19为染料敏化太阳电池在住宅门窗上的应用情况。

由于选择不同的染料可做成各种颜色的太阳电池，也可做成各种形状，因此目前染料敏化太阳电池在民用，如雨伞、书包等已经得到应用。

6. 今后的课题

为了应用和普及染料敏化太阳电池，必须进行芯片的大型化和集成化技术的研发，需要研发新材料、新工艺等。另外，为了进一步降低太阳能光伏系统的成本，需要大力提高太阳电池的转换效率，目前芯片的转换效率约为11%，组件的转换效率为8.5%左右，将来需要研发15%以上的染料敏化太阳电池。为了提高转换效率，需要研发多层结构的太阳电池，以及由吸收波长不同的染料的芯片积成的太阳电池。除此之外，还需要提高太阳电池的耐久性，以满足室外80°以上的高温、紫外线照射的要求，以提高太阳电池的可靠性和使用寿命。

染料敏化太阳电池在住宅门窗上的应用情况

3.3.5.2 有机薄膜太阳电池(www.xing528.com)

有机薄膜太阳电池是一种在光吸收层使用有机化合物，可制成薄膜、胶片状的太阳电池。这种电池具有诸多特点: 由于太阳电池的面积可以做得较大，可在外墙、窗户等处广泛应用; 不受资源的限制，对环境无影响，使用后容易处理; 可使用印刷技术制造太阳电池，能量回收时间短; 应用设计自由，具有多种多样的用途。目前，有机薄膜太阳电池芯片的转换效率较低，仅为6%左右，组件的转换效率为3.5%左右，可作为携带装置的电源，将来，有机薄膜太阳电池有望成为下一代新型太阳电池，并在太阳能光伏系统中使用。有机薄膜太阳电池比染料敏化太阳电池的构造和制造方法更为简单，由于不使用电解液，因此该电池具有柔软性好、寿命长等优点。

1. 有机薄膜太阳电池的种类及构成

有机薄膜太阳电池有P型、PN型、PIN型以及混合层 (Bulk Heterojunction)型等种类。P型有机薄膜太阳电池如图3.20所示，由Au电极、P型有机薄膜以及Al电极构成，该太阳电池的效率较低。PN型有机薄膜太阳电池如图3.21所示，由Au电极、P型、N型有机薄膜以及Al电极构成。与P型有机薄膜太阳电池相比，对有机薄膜部分进行了改良，采用了P型、N型有机薄膜重叠结构，提高了转换效率，但与硅系太阳电池相比转换效率仍然较低。

PIN型有机薄膜太阳电池由ITO电极、P型、PN型混合、N型有机薄膜以及Al电极构成。如图3.22所示，由于PN型混合层的I型半导体的作用，使转换效率达到了5%以上。混合层型有机薄膜太阳电池如图3.23所示，由ITO电极、PN型混合有机薄膜以及Al电极构成。最大的特点是P型采用了有机半导体聚合物(高分子)，即采用了将P型有机半导体和C60球壳状碳分子(Fullerene) 的N型半导体进行混合的结构，在这种太阳电池的混合层由于接触面积增大，可提高电荷分离的效率，使光电流增加，可使太阳电池的性能提高。这种太阳电池可使用印刷技术进行制造，可大大降低制造成本。

图3.20 P型有机薄膜太阳电池

图3.21 PN型有机薄膜太阳电池

图3.22 PIN型有机薄膜太阳电池

图3.23 混合层型有机薄膜太阳电池

图3.24所示的有机高分子涂制型太阳电池不会分离成N型、P型领域，两者相互形成网络接合构造，在两者的界面形成PN结。由于聚合物半导体的载流子(电子或空穴) 的扩散长度较短，只在两领域的界面将光能转换成电能，因此，在薄膜领域内将所吸收的光能转换成电流的比率非常低，即转换效率较低。目前，单芯片的转换效率为5%左右，多接合为6.5%左右。另外，有机薄膜太阳电池还存在转换效率低、耐久性差等问题，虽然材料费用便宜且制作方法简单，但需大幅降低生产成本。

2. 有机薄膜太阳电池的发电原理

有机薄膜太阳电池由导电性聚合物或由碳原子配列的球形分子构成。PN结由P型有机半导体和N型有机半导体材料构成，P型半导体一般采用高分子材料或低分子材料，而N型半导体一般采用C60球壳状碳分子等材料。

在硅系太阳电池中，PN结是由在硅材料中添加不纯物而制成的P型半导体与N型半导体构成的，而有机薄膜太阳电池则使用有机材料，虽然两种太阳电池的PN结所使用的材料各异，但其发电原理并无本质区别，因此，有机薄膜太阳电池的发电原理与PN结型的硅太阳电池的发电原理相同。

图3.24 有机薄膜太阳电池的构造

3. 有机薄膜太阳电池的制造方法

有机薄膜太阳电池的制造方法有蒸镀法以及印刷法 (涂制法) 等。例如对于图3.21所示的PN型有机薄膜太阳电池，先在Al电极上蒸镀N型有机半导体，然后在N型有机半导体上蒸镀P型有机半导体，在P型有机半导体上加装ITO透明电极，则整个有机薄膜太阳电池的制造便完成。而对图3.23所示的混合层型有机薄膜太阳电池来说，可采用印刷法进行制造，先将两种材料混合熔化，然后将溶液涂在装有电极的衬底上，干燥后形成薄膜，最后将铝背面电极与薄膜接合而成。

4. 有机薄膜太阳电池组件

图3.25为柔软型有机薄膜太阳电池。由于这种太阳电池具有柔软、美观、不同色彩等特点，可广泛用于庭院、窗台、背包等日常用品等作为电源使用。

图3.25 柔软型有机薄膜太阳电池