有機(jī)半導(dǎo)體材料以其原料易得，廉價(jià)，制備工藝簡(jiǎn)單，環(huán)境穩(wěn)定性高，可折疊，有良好的光伏效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，日益被人們所重視。本文首先介紹了有機(jī)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)及基本原理，評(píng)述了有機(jī)太陽(yáng)能電池的應(yīng)用，列舉了制造高效、穩(wěn)定的有機(jī)太陽(yáng)能電池的挑戰(zhàn)，并對(duì)它的未來(lái)發(fā)展前景作了展望。

一、結(jié)構(gòu)和基本原理

目前的有機(jī)太陽(yáng)能電池可以分為三類(lèi)。

1.1肖特基型有機(jī)太陽(yáng)能電池

第一個(gè)有機(jī)光電轉(zhuǎn)化器件是由Kearns和Calvin在1958年制備的，其主要材料為鎂酞菁(MgPc)染料，染料層夾在兩個(gè)功函數(shù)不同的電極之間。在這種有機(jī)半導(dǎo)體器件中，電子在光照下被從HOMO能級(jí)激發(fā)到LUMO能級(jí)，產(chǎn)生一對(duì)電子和空穴。電子被低功函數(shù)的電極提取，空穴則被來(lái)自高功函數(shù)電極的電子填充，由此在光照下形成光電流。理論上，有機(jī)半導(dǎo)體膜與兩個(gè)不同功函數(shù)的電極接觸時(shí)，會(huì)形成不同的肖特基勢(shì)壘。這是光致電荷能定向傳遞的基礎(chǔ)。因而此種結(jié)構(gòu)的電池通常被稱(chēng)為“肖特基型有機(jī)太陽(yáng)能電池”。在這個(gè)器件上，他們觀測(cè)到了200mV的開(kāi)路電壓，光電轉(zhuǎn)化效率很低。此后二十多年間，有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域內(nèi)創(chuàng)新不多，所有報(bào)道的器件之結(jié)構(gòu)都類(lèi)似于1958年版，只不過(guò)是在兩個(gè)功函數(shù)不同的電極之間換用各種有機(jī)半導(dǎo)體材料。由于肖特基型有機(jī)太陽(yáng)能電池是單純由一種純有機(jī)化合物夾在兩層金屬電極之間制成的，因此效率比較低，現(xiàn)在已經(jīng)被淘汰。

1.2雙層膜異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽(yáng)能電池

在肖特基型有機(jī)太陽(yáng)能電池的基礎(chǔ)上，1986年，行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了一個(gè)里程碑式的突破。實(shí)現(xiàn)這個(gè)突破的是柯達(dá)公司的鄧青云博士。這個(gè)時(shí)代的有機(jī)太陽(yáng)能電池所采用的有機(jī)材料主要還是具有高可見(jiàn)光吸收效率的有機(jī)染料。鄧青云的器件之核心結(jié)構(gòu)是由四羧基苝的一種衍生物(又稱(chēng)作PV)和銅酞菁(CuPc)組成的雙層膜。這種太陽(yáng)能電池又叫做p-n異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽(yáng)能電池。在雙層膜結(jié)構(gòu)中，p-型半導(dǎo)體材料(電子給體(Donor)，以下簡(jiǎn)記為D)和n-型半導(dǎo)體材料(電子受體(Acceptor)，以下簡(jiǎn)記為A)先后成膜附著在正負(fù)極上(下圖)。D層或者A層受到光的激發(fā)生成激子，激子擴(kuò)散到D層和A層界面處發(fā)生點(diǎn)電荷分離生成載流子，然后電子經(jīng)A層傳輸?shù)诫姌O，空穴經(jīng)D層傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的電極。

1992年，土耳其人Sariciftci在美國(guó)發(fā)現(xiàn)，激發(fā)態(tài)的電子能極快地從有機(jī)半導(dǎo)體分子注入到C60分子中，而反向的過(guò)程卻要慢得多。也就是說(shuō)，在有機(jī)半導(dǎo)體材料與C60的界面上，激子可以以很高的速率實(shí)現(xiàn)電荷分離，而且分離之后的電荷不容易在界面上復(fù)合。這是由于C60的表面是一個(gè)很大的共軛結(jié)構(gòu)，電子在由60個(gè)碳原子軌道組成的分子軌道上離域，可以對(duì)外來(lái)的電子起到穩(wěn)定作用。因此C60是一種良好的電子受體材料。1993年，Sariciftci在此發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上制成PPV/C60雙層膜異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池。PPV通常叫作“聚對(duì)苯乙烯撐”，是一種導(dǎo)電聚合物，也是一種典型的P型有機(jī)半導(dǎo)體材料。此后，以C60為電子受體的雙層膜異質(zhì)結(jié)型太陽(yáng)能電池層出不窮。

1.3混合異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽(yáng)能電池

研究人員在此類(lèi)太陽(yáng)能電池的基礎(chǔ)上又提出了一個(gè)重要的概念：混合異質(zhì)結(jié)(BulkHeterojunction)?；旌袭愘|(zhì)結(jié)概念主要針對(duì)光電轉(zhuǎn)化過(guò)程中激子分離和載流子傳輸這兩方面的限制。雙層膜太陽(yáng)能電池中，雖然兩層膜的界面有較大的面積，但激子仍只能在界面區(qū)域分離，離界面較遠(yuǎn)處產(chǎn)生的激子往往還沒(méi)移動(dòng)到界面上就復(fù)合了。而且有機(jī)材料的載流子遷移率通常很低，在界面上分離出來(lái)的載流子在向電極運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中大量損失。這兩點(diǎn)限制了雙層膜電池的光電轉(zhuǎn)化效率。而所謂“混合異質(zhì)結(jié)”，就是將給體材料和受體材料混合起來(lái)，通過(guò)共蒸或者旋涂的方法制成一種混合薄膜。其給體和受體在混合膜里形成一個(gè)個(gè)單一組成的區(qū)域，在任何位置產(chǎn)生的激子都可以通過(guò)很短的路徑到達(dá)給體與受體的界面(即結(jié)面)，電荷分離的效率得到了提高。同時(shí)，在界面上形成的正負(fù)載流子亦可通過(guò)較短的途徑到達(dá)電極，從而彌補(bǔ)載流子遷移率的不足。2008年3月，大阪大學(xué)和大阪市立研究所宣布，成功開(kāi)發(fā)出了單元轉(zhuǎn)換效率高達(dá)5.3%的有機(jī)固體太陽(yáng)能電池。這一轉(zhuǎn)換效率是通過(guò)采用純度99.99999%以上的C60結(jié)晶增厚混合薄膜至960nm實(shí)現(xiàn)的。此次開(kāi)發(fā)的有機(jī)固體太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)為ITO(透明電極)/H2Pc/i層/C60/NTCDA/Ag(電極)。H2Pc為酞菁，NTCDA為萘四甲酸酐。i層即為同時(shí)蒸鍍p型半導(dǎo)體H2Pc和n型半導(dǎo)體C60而形成的混合薄膜。相對(duì)于雙層膜電池，此種結(jié)構(gòu)的效率提高相當(dāng)明顯，目前保持了有機(jī)太陽(yáng)能電池中的最高效率紀(jì)錄。

二、材料

2.1.1有機(jī)小分子化合物

早期有機(jī)太陽(yáng)能電池在真空條件下把有機(jī)半導(dǎo)體染料如酞菁等蒸鍍?cè)诨迳闲纬蓨A心式結(jié)構(gòu)。酞菁類(lèi)化合物是典型的p-型有機(jī)半導(dǎo)體，具有離域的平面大π鍵，在600~800nm的光譜區(qū)域有較大吸收。同時(shí)芘類(lèi)化合物是典型n-型半導(dǎo)體材料，具有較高的電荷傳輸能力，在400~600nm光譜區(qū)域內(nèi)有較強(qiáng)吸收。下圖展示了目前被廣泛用作有機(jī)太陽(yáng)能電池的電子受體材料。

2.1.2有機(jī)大分子化合物

在過(guò)去的幾十年間，人們將具有半導(dǎo)體性質(zhì)的有機(jī)大分子化合物(共軛聚合物)制成各種光電器件，對(duì)電致發(fā)光二極管進(jìn)行了研究，基于共軛聚合物的有機(jī)太陽(yáng)能電池從20世紀(jì)90年代起得到了迅速的發(fā)展。

2.1.3模擬葉綠素材料

植物的葉綠素可將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的關(guān)鍵一步是葉綠素分子受到光激發(fā)后產(chǎn)生電荷分離態(tài)，且電荷分離態(tài)壽命長(zhǎng)達(dá)1s。電荷分離態(tài)存在時(shí)間越長(zhǎng)越有利于電荷的輸出。美國(guó)阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的工作人員合成了具有如下結(jié)構(gòu)的化合物C-P-Q。卟啉環(huán)吸收太陽(yáng)光，將電子轉(zhuǎn)移到受體苯醌環(huán)上，胡蘿卜素也可以吸收太陽(yáng)光，將電子注入卟啉環(huán)，最后正電荷集中在胡蘿卜素分子，負(fù)電荷集中在苯醌環(huán)上，電荷分離態(tài)的存在時(shí)間高達(dá)4ms。卟啉環(huán)對(duì)太陽(yáng)光的吸收遠(yuǎn)大于胡蘿卜素。如果將該分子制成極化膜附著在導(dǎo)電高分子膜上，就可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。

三、應(yīng)用和挑戰(zhàn)

3.1優(yōu)點(diǎn)及其應(yīng)用、前景

3.1.1有機(jī)太陽(yáng)能電池具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)化學(xué)可變性大，原料來(lái)源廣泛;

(2)有多種途徑可改變和提高材料光譜吸收能力，擴(kuò)展光譜吸收范圍，并提高載流子的傳送能力;

(3)加工容易，可采用旋轉(zhuǎn)法、流延法大面積成膜，還可進(jìn)行拉伸取向使極性分子規(guī)整排列，采用LB膜技術(shù)在分子生長(zhǎng)方向控制膜的厚度;

(4)容易進(jìn)行物理改性，如采用高能離子注入摻雜或輻照處理可提高載流子的傳導(dǎo)能力，減小電阻損耗提高短路電流;

(5)電池制作的結(jié)構(gòu)多樣化;

(6)價(jià)格便宜。有機(jī)高分子半導(dǎo)體材料的合成工藝比較簡(jiǎn)單，如酞菁類(lèi)染料早已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，因而成本低廉。這是有機(jī)太陽(yáng)能電池實(shí)用化最具有競(jìng)爭(zhēng)能力的因素。

(7)可降解，對(duì)環(huán)境的污染小。

3.1.2應(yīng)用及前景

與傳統(tǒng)硅電池相比，有機(jī)太陽(yáng)能電池更輕薄，在同等體積的情況下，展開(kāi)后的受光面積會(huì)大大增加。因此，可將有機(jī)太陽(yáng)能電池可以應(yīng)用于通信衛(wèi)星中，提高光電利用率。而且，由于其輕薄柔軟易攜帶的特性，有機(jī)太陽(yáng)能電池不久將能給微型電腦、數(shù)碼音樂(lè)播放器、無(wú)線(xiàn)鼠標(biāo)等小型電子設(shè)備提供能源。在有機(jī)太陽(yáng)能電池上可體現(xiàn)各種顏色和圖案，更加精美的設(shè)計(jì)使它們能夠很好融合于建筑設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。用廉價(jià)的有機(jī)太陽(yáng)能電池做某些辦公樓的外墻裝飾可以吸收太陽(yáng)能發(fā)電供樓內(nèi)使用(如取暖，照明，工作用電)，充分利用了能源。在衣服表層嵌入輕薄柔軟的有機(jī)太陽(yáng)能電池與有機(jī)發(fā)光材料，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存，冬天可發(fā)熱保暖，衣服在夜間也會(huì)發(fā)出各種顏色的可見(jiàn)光，使人們的衣服更加絢麗。從目前顯示器領(lǐng)域的發(fā)展方向來(lái)看，更大的面積、更低的成本、更加節(jié)能環(huán)保以及輕薄耐用都是熱點(diǎn)趨勢(shì)，柔性顯示器不僅具有這些特性，而且具有更多創(chuàng)新應(yīng)用的發(fā)展?jié)摿Γ瑥膯渭兊拿姘鍞U(kuò)大至數(shù)字出版、會(huì)展布置、廣告媒體和建筑設(shè)計(jì)等產(chǎn)業(yè)，深入生活的不同層面，改變整個(gè)信息生活的風(fēng)貌。將有機(jī)太陽(yáng)能電池應(yīng)用在柔性顯示器中，其廉價(jià)的成本、輕薄、環(huán)保、可折疊的性能比其它電池具有更大的優(yōu)勢(shì)。最近，以視頻眼鏡和隨身影院為重要載體的頭戴式顯示器得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。采用有機(jī)太陽(yáng)能電池作為電源給OLED屏幕供電，其輕便性能可以減輕重量，使得頭戴式顯示器更加人性化。我們預(yù)計(jì)，有機(jī)太陽(yáng)能電池與OLED的聯(lián)合使用可以引領(lǐng)電子設(shè)備的革命，人們生活與娛樂(lè)也將變得更加豐富多彩。在軍事方面，有機(jī)太陽(yáng)能電池與OLED技術(shù)的結(jié)合可用于集多種通訊能力于一體的護(hù)腕式通訊設(shè)備，實(shí)時(shí)觀看視頻和圖形信息，適合陸軍進(jìn)行野戰(zhàn)評(píng)估。在電力方面，有機(jī)太陽(yáng)能電池除了應(yīng)用在內(nèi)蒙地區(qū)或遼寧西北部地區(qū)沙化土地上進(jìn)行發(fā)電外，還可以用于大面積的植樹(shù)造林。采用速生的品種讓樹(shù)木在有效的生長(zhǎng)期內(nèi)快速增長(zhǎng)，使樹(shù)木在人為的控制下像糧食一樣增產(chǎn)增收。在具體實(shí)施過(guò)程中，有機(jī)太陽(yáng)能電池和太陽(yáng)能抽水技術(shù)將發(fā)揮十分重要的作用。經(jīng)計(jì)算，模擬葉綠素的有機(jī)太陽(yáng)能薄膜電池理論上光電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)60-80%[3]，這是有機(jī)太陽(yáng)能電池提高光電轉(zhuǎn)化效率的可能的重要途徑，也是一條發(fā)展的新思路。

改進(jìn)方法：

1.設(shè)計(jì)制造與有機(jī)太陽(yáng)能電池相匹配的電容器，及時(shí)存儲(chǔ)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成的電能。

2.制造仿生有機(jī)太陽(yáng)能電池。仿照光激發(fā)少數(shù)葉綠素a的機(jī)制，模擬生物材料制成極化膜附著在導(dǎo)電高分子膜上，可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能。

3.用染料敏化某些物質(zhì)，使原來(lái)不能吸收可見(jiàn)光的材料能夠吸收可見(jiàn)光，這樣更多的材料能用于有機(jī)太陽(yáng)能電池的制造，擴(kuò)大了原料的范圍。

4.優(yōu)化電池表面結(jié)構(gòu)，將電池表面反射的光重新集聚進(jìn)入電池。

結(jié)語(yǔ)：有機(jī)太陽(yáng)能電池原理的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，將來(lái)如果能制造出光轉(zhuǎn)化率更高、更穩(wěn)定、輕薄、廉價(jià)的有機(jī)太陽(yáng)能電池，它將會(huì)廣泛應(yīng)用于生活的方方面面。