有機半導體材料以其原料易得，廉價，制備工藝簡單，環(huán)境穩(wěn)定性高，可折疊，有良好的光伏效應等優(yōu)點，日益被人們所重視。本文首先介紹了有機太陽能電池的結(jié)構(gòu)及基本原理，評述了有機太陽能電池的應用，列舉了制造高效、穩(wěn)定的有機太陽能電池的挑戰(zhàn)，并對它的未來發(fā)展前景作了展望。

一、結(jié)構(gòu)和基本原理

目前的有機太陽能電池可以分為三類。

1.1肖特基型有機太陽能電池

第一個有機光電轉(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，染料層夾在兩個功函數(shù)不同的電極之間。在這種有機半導體器件中，電子在光照下被從HOMO能級激發(fā)到LUMO能級，產(chǎn)生一對電子和空穴。電子被低功函數(shù)的電極提取，空穴則被來自高功函數(shù)電極的電子填充，由此在光照下形成光電流。理論上，有機半導體膜與兩個不同功函數(shù)的電極接觸時，會形成不同的肖特基勢壘。這是光致電荷能定向傳遞的基礎。因而此種結(jié)構(gòu)的電池通常被稱為“肖特基型有機太陽能電池”。在這個器件上，他們觀測到了200mV的開路電壓，光電轉(zhuǎn)化效率很低。此后二十多年間，有機太陽能電池領域內(nèi)創(chuàng)新不多，所有報道的器件之結(jié)構(gòu)都類似于1958年版，只不過是在兩個功函數(shù)不同的電極之間換用各種有機半導體材料。由于肖特基型有機太陽能電池是單純由一種純有機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)型有機太陽能電池

在肖特基型有機太陽能電池的基礎上，1986年，行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了一個里程碑式的突破。實現(xiàn)這個突破的是柯達公司的鄧青云博士。這個時代的有機太陽能電池所采用的有機材料主要還是具有高可見光吸收效率的有機染料。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(又稱作PV)和銅酞菁(CuPc)組成的雙層膜。這種太陽能電池又叫做p-n異質(zhì)結(jié)型有機太陽能電池。在雙層膜結(jié)構(gòu)中，p-型半導體材料(電子給體(Donor)，以下簡記為D)和n-型半導體材料(電子受體(Acceptor)，以下簡記為A)先后成膜附著在正負極上(下圖)。D層或者A層受到光的激發(fā)生成激子，激子擴散到D層和A層界面處發(fā)生點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碾姌O。

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

1.3混合異質(zhì)結(jié)型有機太陽能電池

研究人員在此類太陽能電池的基礎上又提出了一個重要的概念：混合異質(zhì)結(jié)(BulkHeterojunction)?；旌袭愘|(zhì)結(jié)概念主要針對光電轉(zhuǎn)化過程中激子分離和載流子傳輸這兩方面的限制。雙層膜太陽能電池中，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，離界面較遠處產(chǎn)生的激子往往還沒移動到界面上就復合了。而且有機材料的載流子遷移率通常很低，在界面上分離出來的載流子在向電極運動的過程中大量損失。這兩點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，通過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個單一組成的區(qū)域，在任何位置產(chǎn)生的激子都可以通過很短的路徑到達給體與受體的界面(即結(jié)面)，電荷分離的效率得到了提高。同時，在界面上形成的正負載流子亦可通過較短的途徑到達電極，從而彌補載流子遷移率的不足。2008年3月，大阪大學和大阪市立研究所宣布，成功開發(fā)出了單元轉(zhuǎn)換效率高達5.3%的有機固體太陽能電池。這一轉(zhuǎn)換效率是通過采用純度99.99999%以上的C60結(jié)晶增厚混合薄膜至960nm實現(xiàn)的。此次開發(fā)的有機固體太陽能電池的結(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層即為同時蒸鍍p型半導體H2Pc和n型半導體C60而形成的混合薄膜。相對于雙層膜電池，此種結(jié)構(gòu)的效率提高相當明顯，目前保持了有機太陽能電池中的最高效率紀錄。

二、材料

2.1.1有機小分子化合物

早期有機太陽能電池在真空條件下把有機半導體染料如酞菁等蒸鍍在基板上形成夾心式結(jié)構(gòu)。酞菁類化合物是典型的p-型有機半導體，具有離域的平面大π鍵，在600~800nm的光譜區(qū)域有較大吸收。同時芘類化合物是典型n-型半導體材料，具有較高的電荷傳輸能力，在400~600nm光譜區(qū)域內(nèi)有較強吸收。下圖展示了目前被廣泛用作有機太陽能電池的電子受體材料。

2.1.2有機大分子化合物

在過去的幾十年間，人們將具有半導體性質(zhì)的有機大分子化合物(共軛聚合物)制成各種光電器件，對電致發(fā)光二極管進行了研究，基于共軛聚合物的有機太陽能電池從20世紀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能轉(zhuǎn)化為化學能的關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)壽命長達1s。電荷分離態(tài)存在時間越長越有利于電荷的輸出。美國阿爾貢國家實驗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，負電荷集中在苯醌環(huán)上，電荷分離態(tài)的存在時間高達4ms。卟啉環(huán)對太陽光的吸收遠大于胡蘿卜素。如果將該分子制成極化膜附著在導電高分子膜上，就可以將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。

三、應用和挑戰(zhàn)

3.1優(yōu)點及其應用、前景

3.1.1有機太陽能電池具有如下優(yōu)點：

(1)化學可變性大，原料來源廣泛;

(2)有多種途徑可改變和提高材料光譜吸收能力，擴展光譜吸收范圍，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)在分子生長方向控制膜的厚度;

(4)容易進行物理改性，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)價格便宜。有機高分子半導體材料的合成工藝比較簡單，如酞菁類染料早已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，因而成本低廉。這是有機太陽能電池實用化最具有競爭能力的因素。

(7)可降解，對環(huán)境的污染小。

3.1.2應用及前景

與傳統(tǒng)硅電池相比，有機太陽能電池更輕薄，在同等體積的情況下，展開后的受光面積會大大增加。因此，可將有機太陽能電池可以應用于通信衛(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，有機太陽能電池不久將能給微型電腦、數(shù)碼音樂播放器、無線鼠標等小型電子設備提供能源。在有機太陽能電池上可體現(xiàn)各種顏色和圖案，更加精美的設計使它們能夠很好融合于建筑設計等領域。用廉價的有機太陽能電池做某些辦公樓的外墻裝飾可以吸收太陽能發(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太陽能電池與有機發(fā)光材料，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能并儲存，冬天可發(fā)熱保暖，衣服在夜間也會發(fā)出各種顏色的可見光，使人們的衣服更加絢麗。從目前顯示器領域的發(fā)展方向來看，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趨勢，柔性顯示器不僅具有這些特性，而且具有更多創(chuàng)新應用的發(fā)展?jié)摿?，從單純的面板擴大至數(shù)字出版、會展布置、廣告媒體和建筑設計等產(chǎn)業(yè)，深入生活的不同層面，改變整個信息生活的風貌。將有機太陽能電池應用在柔性顯示器中，其廉價的成本、輕薄、環(huán)保、可折疊的性能比其它電池具有更大的優(yōu)勢。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越廣泛的應用和發(fā)展。采用有機太陽能電池作為電源給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。我們預計，有機太陽能電池與OLED的聯(lián)合使用可以引領電子設備的革命，人們生活與娛樂也將變得更加豐富多彩。在軍事方面，有機太陽能電池與OLED技術(shù)的結(jié)合可用于集多種通訊能力于一體的護腕式通訊設備，實時觀看視頻和圖形信息，適合陸軍進行野戰(zhàn)評估。在電力方面，有機太陽能電池除了應用在內(nèi)蒙地區(qū)或遼寧西北部地區(qū)沙化土地上進行發(fā)電外，還可以用于大面積的植樹造林。采用速生的品種讓樹木在有效的生長期內(nèi)快速增長，使樹木在人為的控制下像糧食一樣增產(chǎn)增收。在具體實施過程中，有機太陽能電池和太陽能抽水技術(shù)將發(fā)揮十分重要的作用。經(jīng)計算，模擬葉綠素的有機太陽能薄膜電池理論上光電轉(zhuǎn)化效率可達60-80%[3]，這是有機太陽能電池提高光電轉(zhuǎn)化效率的可能的重要途徑，也是一條發(fā)展的新思路。

改進方法：

1.設計制造與有機太陽能電池相匹配的電容器，及時存儲太陽能轉(zhuǎn)化成的電能。

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

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

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入電池。

結(jié)語：有機太陽能電池原理的研究已經(jīng)取得了一定的進展，將來如果能制造出光轉(zhuǎn)化率更高、更穩(wěn)定、輕薄、廉價的有機太陽能電池，它將會廣泛應用于生活的方方面面。