試論聚合物薄膜太陽能電池

黃天喜

摘 要：近年來，隨著人們對新能源的利用加強(qiáng)，聚合物薄膜太陽能電池以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)被人們的廣泛研究，本文在此基礎(chǔ)上，對聚合物薄膜太陽能電池進(jìn)行分析。首先闡述了其工作原理和器件性能的參數(shù)，其次分析了聚合物薄膜太陽能電池的現(xiàn)狀，最后對聚合物薄膜太陽能電池的未來研究進(jìn)行總結(jié)與展望，希望能對今后的研究起到作用。

關(guān)鍵詞：聚合物薄膜；太陽能電池；太陽能資源；有機(jī)聚合物

引言：隨著時(shí)代的發(fā)展，能源的開發(fā)與運(yùn)用已經(jīng)國家的成為重點(diǎn)。從20世紀(jì)中期開始，各國就開始研發(fā)利用太陽能資源，人們希望利用大自然的力量生產(chǎn)出科學(xué)環(huán)保的設(shè)備。其中，在電池的研究發(fā)展中也對太陽能資源進(jìn)行了利用。近年來，聚合物薄膜太陽能因?yàn)樵靸r(jià)成本低、易于生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，受到人們巨大關(guān)注。下面就來了解一下聚合物薄膜太陽能電池的相關(guān)內(nèi)容。

1.聚合物薄膜太陽能電池的基本原理

1.1聚合物薄膜太陽能電池的工作原理

聚合物薄膜太陽能電的工作原理比較特殊，它是靠太陽光而工作的。在陽光照射過程中，其本身的有機(jī)聚合物質(zhì)會(huì)吸收帶寬度的光子，通過升級(jí)給體材料的電子來產(chǎn)生適當(dāng)?shù)募ぷ樱簿褪请娮涌昭▽?。電子在感?yīng)到太陽光的熱力強(qiáng)度時(shí)，它會(huì)由HOMO能級(jí)上升至LUMO能級(jí)，這使得其中距離較遠(yuǎn)的復(fù)合激子在傳輸?shù)倪^程中發(fā)生解離，這樣就導(dǎo)致出現(xiàn)了相對靈活的電子和空穴。它們再各自向電池的兩極移動(dòng)，最終分別被陰陽兩極所聚集[1]。這樣一系列的過程，就是聚合物薄膜太陽能電池的工作原理。

因?yàn)橛袡C(jī)聚合物薄膜材料在流子是的傳輸過程比較緩慢，所以聚合物薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)也很特殊，這種結(jié)構(gòu)是其他電池所不具備的特殊構(gòu)造，可以看做是MIM模型。其中聚合物薄膜材料與陰陽兩端的電極分別形成歐姆接觸，在遷移過程中，載流子被逐漸收集起來。在熱平衡狀態(tài)下，如果用肖克萊方程來解釋有機(jī)聚合物薄膜太陽能電池，可以得到以下方程：

其中q相當(dāng)于電子電量，J是反向飽和的電流，Ta代表所在環(huán)境的溫度，kbta的溫度是0.026ev。

1.2聚合物薄膜太陽能電池的器件性能參數(shù)

用四個(gè)參數(shù)可以表示聚合物薄膜太陽能電池的器件性能。其一是開路電壓Voe，這是聚合物薄膜太陽能電池的輸出電壓。Voe是開路電壓的一種，其基本又聚合物薄膜電池中的給體和受體影響。其二參數(shù)是填充因子FF，它是由最大功率的MPP點(diǎn)比上Voe和Jsc而得到的，其計(jì)算結(jié)果公式為：

聚合物薄膜太陽能電池的第三個(gè)參數(shù)是非常重要的光電轉(zhuǎn)換效率，它是由計(jì)電池單位面積的輸出功率（Pm）與光能密度（Pln）的比值計(jì)算得到。其中值得注意的是，聚合物薄膜材料的帶寬、能級(jí)位置、薄膜的形態(tài)等因素都會(huì)對聚合物薄膜太陽能電池的光電效率產(chǎn)生影響。最后的參數(shù)就是短路電流Isc，其作為聚合物薄膜太陽能電池的工作電流，主要受內(nèi)部串聯(lián)的電阻影響，不過對他起到直接決定因素的還是電池內(nèi)部的電子空穴對。

2.聚合物薄膜太陽能電池的現(xiàn)狀

與其他燃料電池和無機(jī)電池相比，聚合物薄膜太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)有很多，比如，它的造價(jià)低、成本少、對光的吸收能力強(qiáng)、柔性大[2]。這種電池自身科學(xué)、環(huán)保、清潔，非常便于大規(guī)模生產(chǎn)和制備柔性的器件，尤其是任何形狀底襯上的也應(yīng)用，聚合物薄膜太陽能電池是眾多電池中最好的選擇。

但是目前，人們對于聚合物薄膜太陽能電池的使用還不是很多，其市場利用率和普及率卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及其他電池。這對人類能源發(fā)展利用上來講，是個(gè)不小的遺憾。所以研發(fā)團(tuán)隊(duì)解決聚合物薄膜太陽能電池研發(fā)過程中存在的技術(shù)問題就顯得至關(guān)重要了。聚合物薄膜太陽能電池的現(xiàn)狀主要有以下幾點(diǎn)。

第一，物薄膜太陽能電池的效率不夠，聚合物薄膜的遷移率較低，目前還沒有較好的改善辦法，所以在一定程度內(nèi)降低了電荷的傳輸效率。第二，聚合物薄膜太陽能電池在激子離合的過程中不能充分發(fā)揮作用，導(dǎo)致對激子的收集效率也比較緩慢。第三，聚合物薄膜這種新型材料有其自身的不穩(wěn)定性，所以專家難以對電池活性層的形態(tài)完全掌控，這就使得電池器件的穩(wěn)定性下降，對其工作的效率產(chǎn)生影響。

以上這些問題都是技術(shù)研究上的不完善之處，如果不能突破此瓶頸，那么，勢必阻礙聚合物薄膜太陽能電池的進(jìn)一步發(fā)展，所以改變這一技術(shù)現(xiàn)狀是目前的當(dāng)務(wù)之急。

3.對聚合物薄膜太陽能電池的未來研究展望

隨著聚合物薄膜太陽能電池的逐步研究，其產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程已經(jīng)有了一部分的進(jìn)展。雖然聚合物薄膜太陽能電池的穩(wěn)定性不夠，電池效率也不高，但是其在未來還是有很大的研究空間的，對此一定要從技術(shù)環(huán)節(jié)上入手。如果能克服以上的技術(shù)瓶頸，改善缺點(diǎn)，那么這種電池將會(huì)有很大的利用價(jià)值。就現(xiàn)階段來看，聚合物薄膜太陽能電池的生產(chǎn)簡單卻成本較低的優(yōu)勢明顯，這種優(yōu)勢有是探索研究的動(dòng)力所在。

進(jìn)一步研發(fā)窄帶隙聚合物，運(yùn)用聚合物薄膜材料大面積的制作電池和增加活性層的光吸收能力等方面都可以作為今后研究的重點(diǎn)之一，就拿聚合物薄膜材料為例，未來的研究可以考慮要以下方面入手。

例如，未來的研究可以試圖改善聚合物薄膜材料的弊端，使其高開路電壓的性能提高，達(dá)到窄帶隙聚合物的功能。還可以制備新型的材料，比如，把載流子的高遷移率的材料提取出來，進(jìn)行溶解或調(diào)劑等試驗(yàn)，把其中的因素融合進(jìn)聚合物太陽能電池中，研發(fā)出新的具有高遷移率的聚合物薄膜材料。此外，使聚合物薄膜太陽能電池商業(yè)化應(yīng)用的重點(diǎn)，就是提升物薄膜太陽能電池的穩(wěn)定性。雖然在這方面的研究有著不小的挑戰(zhàn)，但是，通過對有機(jī)材料和無機(jī)材料的對比試驗(yàn)等，相信會(huì)給電池器件的穩(wěn)定性帶來啟發(fā)。

結(jié)束語：聚合物薄膜太陽能電池利用了太陽能資源，其本身是具有新能源環(huán)保節(jié)約的特質(zhì)的，所以更要加大研發(fā)力度進(jìn)行探索。相信隨著科技的發(fā)展和人類不斷地實(shí)驗(yàn)，聚合物薄膜太陽能電池會(huì)具有更優(yōu)越的性能，其使用率會(huì)越來越大，會(huì)成為人們的日常生活中和生產(chǎn)發(fā)展中的重要能源材料之一。

參考文獻(xiàn)：

[1]自然.在陽光下振動(dòng)的聚合物薄膜使太陽能電池更高效[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2016（15）：32.

[2]吳江，謝志元.刮涂法制備聚合物薄膜太陽能電池[J].發(fā)光學(xué)報(bào)，2012，33（05）：540-544.