無機材料在有機太陽能電池中的應(yīng)用探索

張 平 ，肖 夏

（1.天津大學電子信息學院 天津 300072；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學電子工程學院 天津 300222）

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，不得不進行各類能源資源的開采，使能源資源逐漸面臨枯竭，甚至給環(huán)境帶來嚴重的影響?，F(xiàn)如今，在環(huán)境問題的壓力下，對清潔能源的開發(fā)及利用越來越受到人們的重視，特別在太陽能電池研究方面取得了極大的突破。太陽能電池組成部分包括光活性層和正、負電極。就太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率而言，與緩沖層的合適度有著緊密的聯(lián)系，目前常見緩沖層材料包括：無機和有機半導體型兩類。就有機緩沖層材料而言，其種類豐富，還能夠進行真空鍍膜，缺點是價格相對較高，運用于電池材料中所需成本費用較高。而無機緩沖層材料不僅價格低廉，且在性能穩(wěn)定方面較有機緩沖層材料效果更佳。因此，對無機材料在有機太陽能電池中的應(yīng)用進行研究極具實際價值意義。

1 無機材料在有機太陽能電池中的應(yīng)用研究

1.1 在陽極緩沖層中的應(yīng)用

為起到修飾陽極的作用，將無機材料運用在有機太陽能電池陽極緩沖層當中，無論是在陽極的厚度方面，還是在無機物類型上對有機太陽能都具有一定的影響作用。在有機太陽能電池中，經(jīng)常用于陽極緩沖層中的無機物主要包括：三氧化鎢、三氧化鉬和氧化鎳三類。如：三氧化鎢，此類無機物在陽極修飾層方面的器件效率高達3.1%，還能夠使太陽能電池中的載流子在復(fù)合效率上得以有效降低。如：三氧化鉬，此類無機物可作用于太陽能電池紅外區(qū)域中，不僅能夠使光吸收率增強，還可以促使電池能量得以更好的轉(zhuǎn)化。如：氧化鎳，將此類無機物作用于陽極修飾層當中，可以對活性層能級進行靈活的調(diào)節(jié)，有效促進電池陽極結(jié)構(gòu)對空穴流的接受，從而使太陽能電池工作效率得以保證。

1.2 作為陰極緩沖材料

由于有機太陽能電池本身缺乏一定的穩(wěn)定性，為提高這種穩(wěn)定性，將無機材料作為陰極緩沖材料加以使用，其原理是以無機材料作為緩沖層，在電池陰極、有機層之間進行該類緩沖層的設(shè)置，在此過程中，無機材料作為電極和有機層之間的接觸層，具有較強的穩(wěn)定性，可以有效減少太陽能在電能轉(zhuǎn)換過程中的電阻，還能對有機層加以保護，并使電池使用壽命延長。在有機太陽能電池中，經(jīng)常用到的陰極緩沖材料主要包括：氧化錳、氧化鈦和氟化鋰三類。如：氧化錳，其對太陽能電池陰極可起到修飾的作用，并利用真空蒸鍍法達到陰極結(jié)構(gòu)中氧化錳狀態(tài)的保護效果。如：氧化鈦，將氧化鈦作為陰極緩沖材料應(yīng)用于有機太陽能電池中，能夠促使空穴流向陰極結(jié)構(gòu)中移動，對太陽能電池有機層形成全面保護，在該過程中負責對電子傳輸和收集的工作，還可以作為第二基底，在太陽能電池結(jié)構(gòu)中進行串聯(lián)，同時為了對太陽能陰極結(jié)構(gòu)加以保護，將該材料作用于陰極層時采取旋涂的方式，從而使太陽能陰極緩沖作用得以發(fā)揮出來，進而起到保護的效果。如：氟化鋰，將其作為陰極修飾的材料，對陰極層加以保護，使電池中Al的功函數(shù)得以降低，能夠使陰極界面發(fā)生偶極子，這種偶極子可以快速擴散到有機層當中，對有機層起到一定的修飾作用。另外，將氟化鋰應(yīng)用于電池陰極中，需對材料厚度上進行合理設(shè)置，從而達到阻斷陰極和保護陰極結(jié)構(gòu)的作用。

1.3 在活性層中的應(yīng)用

常見的應(yīng)用于有機太陽能電池活性層結(jié)構(gòu)中的無機材料主要包括納米硅、鉻化合物及金屬氧化物三類。如：納米硅，其屬于無毒無害的一類無機材料，電子遷移率相當高，對光的吸收性能很強，將其與有機材料進行結(jié)合，作為受體結(jié)構(gòu)可以進行太陽能電池的制作，將其以線陣列方式運用于有機太陽能電池內(nèi)，使其內(nèi)部電場增大，能夠使有機太陽能電池對可見光和紅外光的吸收率得以有效增強，加速電子遷移過程，使電子與空穴轉(zhuǎn)移變得簡化，使太陽能傳輸過程得以優(yōu)化。如：鉻化合物，其在有機太陽能中的應(yīng)用以無機受體方式為主。通常情況下，球形鉻化合物表層的絕緣層在同有機太陽能電池中的器件進行結(jié)合時，能夠?qū)μ柲芴斐卦邳c和傳輸上進行一定的限制，從而使電子傳輸效率得以提高。將金屬氧化物當中的氧化鋅和氧化鈦進行比較，氧化鈦在化學性質(zhì)穩(wěn)定性方面明顯高于氧化鋅，且透光性也較氧化鋅高。其作為能級較低的納米粒子，能夠有效提升太陽能電池電能的轉(zhuǎn)化率，應(yīng)用過程中有機體與無機受體相結(jié)合，能夠使無機物在波長進行改變。另外，將這類能級低的納米粒子在有機太陽能電池吸收區(qū)域、可見光、及近紅外區(qū)域內(nèi)進行專門的設(shè)置，能夠使活性區(qū)域當中的載流子復(fù)合量得以有效降低，從而保證有機太陽能電池在光吸收方面的較高效率。這也是其廣泛被運用于有機太陽能電池中的主要原因。另一金屬氧化物是氧化鋅，其屬于N型半導體材料，有著極好的電子傳輸性能，在電子傳輸性能上，氧化鋅較普通金屬氧化物高出一個數(shù)量級。但將其作用于太陽能電池中，存在一定的缺陷，主要表現(xiàn)在化學穩(wěn)定性方面，其化學穩(wěn)定性不足，特別是處在酸堿環(huán)境當中其化學穩(wěn)定性較弱。所以，在進行有機太陽能電池無機材料選擇的過程中，需要對氧化鋅化學穩(wěn)定性方面進行充分考慮。就目前而言，在這方面仍須繼續(xù)研究。

2 無機材料未來發(fā)展方向

由于無機材料在有機太陽能電池中的應(yīng)用，能夠使有機太陽能電池結(jié)構(gòu)得以有效改善，從而保證太陽能電池能夠達到使用的最佳效果，將無機材料運用于有機太陽能電池結(jié)構(gòu)當中，其優(yōu)勢較為明顯，在今后乃至未來的發(fā)展過程中，不僅是對于太陽能電池的應(yīng)用，還應(yīng)該將無機材料使用范圍進行拓展，并對使用無機材料過程中出現(xiàn)電池器件問題進行研究，找到有效方法加以解決，使無機材料在有機太陽能電池中的應(yīng)用數(shù)量得以增加，真正挖掘出無機材料本身更大、更多的價值，從而利用無機材料來使有機太陽能電池的工作效率得以有效提高。

3 結(jié)語

綜上所述，將無機材料應(yīng)用于有機太陽能電池中，對兩者進行有機結(jié)合，可有效彌補有機材料中存在的不足。在有機太陽能電池中，結(jié)合實際特征對無機材料進行引入，有利于太陽能電池在性能方面的穩(wěn)定提升，還能使無機材料在太陽能電池中的作用得以充分發(fā)揮，在增強有機物同無機物匹配性及有機太陽能電池使用情況方面，有著極強的改善作用，可以說極大程度的滿足了有機太陽能電池能量轉(zhuǎn)化的基本需求。