基于光學(xué)工程實(shí)現(xiàn)高效聚合物太陽電池

戴君潔

摘 要可再生能源可以說取之不盡用之不竭的?，F(xiàn)階段的技術(shù)手段達(dá)不到真正節(jié)能的目的。在我國，豐富的太陽能資源為我國發(fā)展太陽能利用相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供了先天優(yōu)勢。 但是傳統(tǒng)的單晶硅太陽能無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模民用商業(yè)化。 在這一背景之下， 聚合物太陽能電池技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。聚合物太陽能電池成為目前太陽能利用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本文說明了聚合物太陽電池機(jī)理，闡述了基于光學(xué)工程下實(shí)現(xiàn)高效聚合物太陽電池性能的有效措施。

【關(guān)鍵詞】光學(xué)工程 高效聚合物 太陽電池

隨著光學(xué)工程的不斷發(fā)展，聚合物太陽能電池大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用也指日可待?？梢?，聚合物太陽能電池的發(fā)展是能源利用領(lǐng)域的又一次偉大的革命。太陽能作為一種新型的清潔能源成為全世界科學(xué)家的研究的焦點(diǎn)。聚合物太陽能電池是在兩個具有不同功函數(shù)的電極之間添加具有光敏性質(zhì)的聚合物半導(dǎo)體材料，利用光伏效應(yīng)彌補(bǔ)了部分無機(jī)太陽能電池的不足，因此使得其在柔性太陽能電池領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。聚合物太陽能電池具有低成本、柔性、輕薄等特點(diǎn)，因目前聚合物太陽能電池面臨著能量轉(zhuǎn)化效率低、壽命短等難題，需要我們探究基于光學(xué)工程下聚合物太陽能電池的性能的傳輸過程以及自由載流子的收集過程。

1 聚合物太陽電池機(jī)理

聚合物太陽電池能夠直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。由于它們大采用溶液加工技術(shù)的獨(dú)特制造優(yōu)點(diǎn)，兼容質(zhì)量輕，柔性襯底和卷對卷生產(chǎn)工藝而備受關(guān)注。通過構(gòu)建光學(xué)諧振腔，實(shí)現(xiàn)了光線的多次反射，這樣不但可以提高量子效率，而且也大幅度優(yōu)化電池性能。使用具有較低能帶結(jié)構(gòu)和寬吸收光譜的新型聚合物有利于優(yōu)化膜層厚度，促使量子效率的提高。目前，結(jié)合體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，形成了現(xiàn)在聚合物太陽能電池中最常用的共軛聚合物和富勒烯衍生物混合體系的體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。

當(dāng)半導(dǎo)體光子的能量大于或等于半導(dǎo)體的禁帶寬度，就能在半導(dǎo)體中產(chǎn)生大量的電子/空穴對，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。電子從低功函數(shù)的金屬電極穿過有機(jī)層到達(dá)高功函數(shù)電極，從而產(chǎn)生光電壓形成光電流。體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)具有巨大的開發(fā)潛力。在此結(jié)構(gòu)中受體分子緊密接觸增加了D/A 接觸面積，從而促進(jìn)了電荷的分離和傳輸。如果能有效減少這些 “孤島”尺寸，就會提高電池的光電轉(zhuǎn)化效率。 多層體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池增加了活性層對光的吸收能力，進(jìn)而產(chǎn)生光伏效應(yīng)。

2 提高聚合物太陽能電池性能

近來，無機(jī)半導(dǎo)體特性或金屬導(dǎo)電性的雙重特性為聚合物太陽能電池降低成本提供了極其有利的條件。目前很多物理學(xué)、材料學(xué)的相關(guān)專家將研究成果廣泛應(yīng)用于聚合物太陽能電池領(lǐng)域。通過構(gòu)建光學(xué)諧振腔，實(shí)現(xiàn)了光線的多次反射，這樣不但可以提高量子效率，而且也大幅度優(yōu)化電池性能。使用具有較低能帶結(jié)構(gòu)和寬吸收光譜的新型聚合物有利于優(yōu)化膜層厚度，促使量子效率的提高。

2.1 提高空穴的收集和輸運(yùn)能力

由于對光伏器件的光透過率影響較小，可以在ITO與PEDOT：PSS之間構(gòu)建一個中問能級，以便增加陽極處的空穴收集。此外，采用緩沖層修飾的器件在退火后獲得了較高的填充因子，其中，采用復(fù)合緩沖層修飾的器件光電轉(zhuǎn)換效率比傳統(tǒng)器件有了較大提高，同時也有效減少了因雜質(zhì)擴(kuò)散而造成的缺陷復(fù)合中心，進(jìn)而提高了聚合物太 陽能電池的穩(wěn)定性。如：疊層太陽能電池，無論是哪一種太陽能電池材料，使得材料都不可能在很寬的光譜范圍內(nèi)有良好的光譜響應(yīng)，因而將太陽能光譜的各個波段更有效地利用，就是疊層太陽能電池。疊層太陽能電池可以在不同的傳輸層進(jìn)行轉(zhuǎn)移，通過制備給體材料層和受體材料層，形成排布規(guī)則有序且與電極接觸良好的活性材料層，然后不斷激子解離的相分離界面，最后形成獨(dú)立載流子傳輸通道。

2.2 利用紫外臭氧處理可以獲得更高的效率

聚合物太陽能電池通過控制活性層薄膜的生長過程有助于大幅度提升電池的開路電壓，典型的低帶隙聚合材料作為光學(xué)間隔層插入到活性層和內(nèi)部光線的傳播， 使得活性層得到最大的量子效率。同時我們還要尋找一種新的、更簡單、更實(shí)際的提高短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率的方法。聚合物太陽電池器件要兼顧光學(xué)層面比較厚和電學(xué)層面比較薄的器件設(shè)計。采用PFN界面層可以和光活性層形成歐姆接觸保證電極傳輸和收集。隨著聚合物太陽電池活性層厚度的增加，一些特定的厚度主要是用來接收比較低的光吸收效率。當(dāng)活性層的厚度達(dá)到200nm以上時就形成了空間載流子限制光電流，從而不斷提高厚膜太陽電池的器件性能。

同時通過一種P型金屬氧化物（氧化銀）薄膜與常用的陽極緩沖材料PEDOT：PSS組成的復(fù)合，使電池獲得更好的穩(wěn)定性。聚合物太陽能電池隨著光學(xué)的發(fā)展器件效率穩(wěn)步提高。采用本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的聚合物太陽能電池，可以保證激子通過擴(kuò)散運(yùn)動到具有互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的給受體界面處，在內(nèi)建電場的作用下形成通道傳輸，從而得到更加平衡的載流子輸運(yùn)過程。

2.3 提高光吸收和轉(zhuǎn)化效率

基于半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)構(gòu)或金屬半導(dǎo)體界面附近的光生伏特效應(yīng)，促使太陽能電池的電子在受電子材料中進(jìn)行傳輸。在測試太陽電池的功率時，必須規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)測試條件，并聯(lián)結(jié)構(gòu)的本體異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計避免了常規(guī)疊層電池需要精心設(shè)計和嚴(yán)格控制中間連接層的需求，從而明顯降低了器件制備的復(fù)雜性。更加重要的是，本方法可以更大幅度提高光吸收和轉(zhuǎn)化效率。因此，類似并聯(lián)結(jié)構(gòu)的體系可以改變給體之間的混合比例而調(diào)節(jié)。與單結(jié)的二元本體異質(zhì)結(jié)器件作為一種進(jìn)一步提高聚合物太陽電池的效率的新途徑，值得大家的深入研究。

2.4 構(gòu)建光學(xué)諧振腔，有效增加反射光強(qiáng)

電池性能的改善不是由于電池內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移速率提高而造成的，在電池內(nèi)部插入 Ag 薄層，會增加活性層對于入射光的吸收，隨著 Ag薄層的厚度增加， 透射率沒有受到太大的影響，但是插入Ag 層后，電池的外量子效率逐漸提高了。光生載流子的數(shù)目大幅度增多，相對于沒有插入 Ag 層的標(biāo)準(zhǔn)電池短路電流提高了 30%，使得活性層對光的吸收達(dá)到最大。隨著 Ag 層厚度的進(jìn)一步增加，短路電流密度和轉(zhuǎn)化效率均低于沒有插入 Ag 薄層的標(biāo)準(zhǔn)電池，可見，當(dāng)活性層薄膜采用境靜置生長10min 和膜厚控制在80nm左右時，電池得到最佳轉(zhuǎn)換效率。

參考文獻(xiàn)

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[2]楊成東.有機(jī)場效應(yīng)晶體管新型聚合物半導(dǎo)體材料的合成及性能研究[D].杭州師范大學(xué)，2016.

作者單位

重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院 重慶市 401120