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38 科技展望 2015/30浅谈有机太阳能电池材料的研究进展伍唤宇（长沙麓山国际实验中学，湖南长沙 410006）【摘要】有机太阳能电池，顾名思义，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。主要是以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，以光伏效应而产生电压形成电流，实现太阳能发电的效果。本文主要分析有机太阳能电池材料的研究进展。【关键词】有机太阳能电池材料研究进展当前，世界各国都非常注重对太阳能相应技术的研究进展，这是由于太阳能是，目前解决能源危机的重要途径之一，所以对于太阳能的电池研究非常重视。从目前的太阳能电池市场中，都是以无机晶体占据主导性地位，而这种无机晶体的制作成本高、工艺手段复杂，使得太阳能电池难以迅速普及。而对于有机太阳能电池的制作成本低，工艺较为简单，因此，有机太阳能电池逐渐成为太阳能发展能否普及的重要影响因素。为此，本文笔者就主要从太阳能电池的材料选择、工艺技术等多个方面对有机太阳能电池的发展进行详细的阐述，才能更好地讨论有机太阳能电池材料未来的发展趋势。1 关于有机太阳能电池的基本概况分析1.1 工作原理分析总的来说，太阳能电池的工作原理就是重复利用半导体异质结，或者是金属的半导体界面所引起的光伏效应，所以，我们可以称之为光伏电池。在这一过程中，只有当光子射入到光敏材料时，可以有效地激发有机材料内部的电子和空穴对。这样，在静电势能的作用下进行相应的分离，之后所接触的电极进行收集，这样就能够使得外电路的电流进行通过，而有机太阳能电池则是充分利用这一光伏效应。另外，在太阳光照射下的材料吸收光子，若是光子所产生的能量高于有机材料的禁带宽度，这样就很有可能产生一种电子空穴对。在这种情况下，若是产生高于无机半导体材料中的电子空穴对的结合能量，这样激子便不会进行自动分解体。当两种不同电子的材料进行接触时，在两种接触材料的界面处便会产生电势差，这样就可以有效地驱动激子进行分离，若是单纯由一种有机物存在两层的金属电极之间形成的电池效率是很低的，但是后来可以将 P 型的半导体材料和 N 型的半导体材料进行结合时，在接触界面上很难形成激子之间的分离。1.2 对于有机太阳电池的分类选择研究一般来看，有机太阳能电池的器件结构可以主要分为三大类，第一类是单质结的有机太阳能电池。第二类是异质结的有机太阳能电池，第三类是染料敏化太阳能电池。而对于异质结有机太阳能电池其中便包含了 P-N 异质结合混合异质结以及体异质结等有机太阳能电池。在单质结的有机太阳能电池中，这是最早研究的有机太阳能电池，其一般的结构是为玻璃和有机层和电极有机层组成，在材料上都是以 ITO 和一些功能函数较低的金属组成的。但是对于单层结构的电池来说，在内部所建立的电场源上都是来源于两个不同的电极功函数差，以及相应的金属有机材料接触形成的特定肖特基势垒。而且，由于电子与空穴在同一材质中进行传输时，其产生的复合几率非常大，这样就使得单质结的有机太阳能电池的转换效率较低。1.3 异质结的有机太阳能电池的分析从某种程度上看，异质结的有机太阳能电池，主要是以P-N 异质结和混合异质结以及体异质结等方面的所共同组成。在 P-N 异质结的有机太阳能电池结构是有不同的材料组成的，由于当前这种电池中不同结构的存在，导致单质结有机太阳能电池的转换效率是非常高的，这也就成为后来我们研究的重要内容，在这种结构的太阳能电池中在上个世纪便报道出来，有些学者认为这种电池的光伏性能主要是取决于不同有机材料形成的界面，并不是由有机材料的接触界面所形成。但是，与单质结电池相比， P-N 异质结电池相比有很多的优势，这种对于材料的合理选择，可以有效地制造出具有宽光谱范围的器件。在各种染料的电子相互作用下，能够使得将有效地电荷分离仅仅控制在材料接触的界面上。同时，由于电荷分离限制在电池较小的地区，使得能够有效地吸收各种光子的数量而逐步受到一定程度上的限制，为此，这种电池的光电转换效率是比较低的。2 有机太阳能电池材料的选择研究从当前的情况来看，最在使用的有机太阳能电池主要为肖特基电池，这种电池就是在真空的基本条件下，将有机半导体染料在基板上形成夹心式的结构，而且，这种电池对于我们研究光电转换机有着重要的帮助，但是对于蒸镀膜的加工工艺是较为复杂，非常容易造成脱落。为此，我们就必须要将有机染料半导体分散在各种聚合物上，这样就能够使得光生载流逐渐减少。在另外一方面，我们也应该要看到，有机大分子化合物能够在一定程度上制造出各种光电器件，尤其是非常注重对电致发光二极管进行深入研究，例如，富勒烯衍生物中就是一个很好地的电子受体，同时，由于其具有特殊的笼形结构和功能，我们可以充分将其新型功能有效地融入到高分子体系中，这样就能够获得各种优良的导电性材料。另外，在对于有机无机杂化体系的研究过程中，我们都知道无机纳米半导体材料，总体上具有一种优异的光电特性，并能够将其有效地与有机材料逐步复合成为一种杂化体系，这样就能够有效地利用有机材料和无机材料各方面的物理性能，使得不断提升器件的性能。目前，我国光伏电池产量年增长速度为 1-3 倍，光伏电池产量占全球产量的比例也由 2002 年 1.07 增长到 2008 年的近15 。商业化晶体硅太阳能电池的效率也从 13-14 提高到16-17 。总的来说，为了能够更好地研究有机太阳能电池技术的研究进展，我们就必须要深入分析当前有机太阳能电池的基本发展概况，尤其是要对工作原理分析、有机太阳电池的分类选择研究、异质结的有机太阳能电池的分析等多个方面的分析，从而为接下来我们的研究工作打下坚实的基础。参考文献[1] 叶怀英 , 李文 , 李维实 . 有机太阳能电池用聚合物给体材料的研究进展 [J]. 有机化学 ,201202. [2] 张天慧 , 朴玲钰 , 赵谡玲 , 徐征 , 杨磊 , 刘祥志 , 鞠思婷 . 有机太阳能电池材料研究新进展 [J]. 有机化学 ,201102. [3] 李晶 , 武文俊 , 贺锦香 , 花建丽 . 基于苯并噻二唑的菁染料敏化剂的合成与光伏性能研究 [J]. 化学学报 ,201024.