摘要：有机太阳能电池是很有发展前途的新能源之一，特别是有机薄膜太阳能电池更是备受关注。本文对有机薄膜太阳能电池(OTFSC)的发电原理，高效率化技术以及大型化与紊化等方面作了介绍。

　　关键词：有机薄膜型太阳能电池(OTFSC)；发电原理；高效率化；大型化；柔性化

　　1 前言
　　作为典型可再生能源的太阳能光伏发电，近年来，面向各个产业及至人民的生活、住宅，正急速的推广应用。但目前的单晶硅太阳电池，难于大幅度降低成本。单晶硅太阳电池的原料硅占到制造成本的30％以上。因此，对原料不依赖于单晶硅的非晶硅系列太阳电池进行了开发。紧随非晶硅系列太阳能电池之后的有机太阳能电池，其原料丰富，且价格相对较低，并采用了基本廉价的非真空加工工艺，故这类结构的太阳能电池是人们所期待的。

　　有机太阳能电池，有利用光电化学的色素增感型太阳能电池，和藉助有机EL逆过程实现光电变换的有机薄膜型太阳能电池两种。本文主要介绍有机薄膜型太阳能电池的开发。并阐述了其有关的发电原理和安装中的关键技术。

　　2有机薄膜太阳能电池的发电原理
　　图1所示为有机薄膜型太阳能电池(OTFSC)的断面。OTFSC主要由承担基本光吸收与空穴输送的一共轭高分子和承担电子输送的低分子受体分子所构成。基底上涂覆了能使透明电极平滑化并承担空穴输送的空穴输送材料(PEDOT—PSS)，以及Ⅱ共轭高分子(P3HT)和电子受体分子(C61一PCBM)的混合液。当这一混合液的溶剂挥发时，相当于p型半导体的丌共轭高分子，与相当于n型半导体的电子受体分子(低分子化合物)混合，构建成这一混合物的相分离，形成所谓整块异质结相分离的随机结合界面。电介质薄膜可补偿整块异质结薄膜上的整流性，电介质薄膜设置的极薄，并设置了铝质的里面电极，这样，电池就已完成。高分子系有机薄膜太阳能电池的最大特点是：相当于p型半导体的丌共轭高分子与相当于n型半导体的电子受体分子混合，藉助这一混合物的相分离，构建了接合界面的整块异质结。引入这一相分离结构，是因为有机薄膜太阳能电池经过了激励子(exciter)的扩散。OTFSC首先是由丌共轭高分子或者电子受体分子的光吸收，产生激励子。然后，p型或n型激励子，在具有整块异质结结构的薄膜内部扩散。在接合界面上，与相互不同的分子会合时，开始电荷分离，能生成空穴与电子。由于有机半导体的电荷在分子内的局部化，为了使基于光吸收所生成的电荷增加，必须在激励子可能扩散的范围内设置P-n接合界面。从而，不是二元的平面接合，在薄膜内部构建微细的相分离，因此，藉增大接合界面面积的整块异质结结构，可大幅度提高效率。

　　空穴与电子一旦生成，空穴在丌共轭高分子的分子间，电子在电子受体分子的分子间各自输送，从电极取出。有机分子的电荷输送，基于扩散或分子间的跳跃(hopping)传导，但高分子系OTFSC的电荷输送机理尚未充分理解。对电荷输送必须的自生电场(固有电位)产生来源及其电场强度优化，今后应予以考虑。

　　3高效率化的关键技术
　　决定OTFSC性能的参数：短路电流密度、开路电压、填充因子(曲线因子)等都起着重要作用，现将改进的事例分述如下。

　　3.1短路电流密度的改善
　　为提高短路电流密度，进行了下面几项开发：(1)光吸收范围扩大(提高吸收强度，力求吸收光波的长波化)；(2)电荷输送的改善；(3)增大P—n结界面的接合面积；(4)促进电荷的生成等。这些改善为了充分发挥OTFSC的特点。

　　有机薄膜太阳能电池，以po1ythiophene系、poly-P·phenylene·vinylene系、polyfluorene系等材料为基础进行了研究。即使带隙接近2ev，长波侧的光吸收也非常少，如旨在得到光吸收能量整体的积分值，增大整体异质结结构的膜厚度是较好的。激励子扩散长度因被限制在50nm左右，故单纯的增大膜厚是有限的。在这样一种背景下，对长波区可以光吸收的图2所示窄带隙聚合物进行了开发。

　　窄带隙聚合物因能确保长波侧的光吸收，故不仅能增大光吸收能量的积分值，而且，因原来的丌共轭高分子与可以光吸收的波长区不同，将二者叠层后能形成2端子的串联结构。

　　构成整块异质结的n共轭高分子与电子受体分子的电荷输送，受覆盖于薄膜的内部电场推动而扩散，或以跳跃式传导输送至电极。此时，空穴和电子的输送因经由分子轨道的重叠，分子轨道重叠良好的结晶状态，理所当然就是理想状态。径向规则的π共轭高分子，在薄膜刚形成之后分子链的方向性是无规则的无定向。通过后置的缓冷，增大结晶化程度。即使对具有整块异质结的薄膜，藉后置的缓冷也已确认是提高了polythiophene系的结晶化程度。故可改善太阳电池的短路电流密度。若采用玻璃转移温度以上的后置缓冷，则效果更佳。

　　藉助丌共轭高分子与电子受体分子的混合比例、溶剂的种类、涂敷的方法以及大气、溶剂的挥发条件等，可以改变整块异质结的结构。可将这些参数控制到一定程度，还要考虑相分离的尺寸和均匀性以及电荷的输送。对于这样的整块异质结相分离结构的控制，是提高发电效率不可缺少的重要因素。不断尝试着对这一相分离结构用块状(block)共重合体控制的方法。利用共重合体的高分子链分子量和亲、疏水性等性质，块状共重合体可周期地构建成纳米级的高分子相分离结构。块状共重合体中，相分离尺寸为10nm～数十nm左右，与由n共轭高分子和低分子的电子受体分子构成的相分离结构相同，当然可实现以下的致密结构。现正处于材料合成的试制阶段。这种材料不能达到顶级的发电效率，无法构建按微相分离结构设置电极，还须进一步研究相分离结构内部的电荷输送等。而且，电荷输送和耐久性，与材料纯度有很大的依赖关系，故从材料精加工方面考虑，也应予以验证。

　　激励子向整块异质结结构内部扩散，到达P一11结界面之际的电子受体分子，其电子拔出强度对OTFSC的电荷生成很重要。氧化钛和氧化锌等金属氧化物具有电子受容性(从有机分子拔出电子的氧化作用)，图3所示，由金属氧化物和丌共轭高分子形成异质结接合界面，藉此可以构成太阳能电池。这一场合下，通过金属氧化物强烈的氧化作用，在丌共轭高分子内形成了多数阳离子游离基。作为迅速地空穴输送，阳离子游离基有利于正电荷的形成。金属氧化物的氧化作用与共轭高分子的空穴移动程度，在时间上差异小最理想。

　　3．2开路电压的改善
　　有机薄膜太阳能电池的电压被认为是：起因于共轭高分子的H0MO(最大占有分子轨道)级与电子受体分子的LUMO(最小非占有分子轨道)级之级差。以图1为例，对应于两个能级的级差，实际得到的开路电压0．6V相当小，考虑是电压损耗等若干原因。可大致区分为基于内部阻抗的Q损耗和基于电荷再结合(逆向流动的漏泄电流)损耗。

　　一般的太阳能电池能，用图4所示等值电路表示。从这一等值电路可知，串联阻抗大和并联阻抗小、电流泄露的场合下，从外部取出的电压降低，从而，应尽可能减小相当于串联阻抗的界面接触电阻和电极薄片阻抗等。而且，生成的电荷有助于有机薄膜的内部电场，并各自输送空穴和电子。整块异质结的结构，对共轭高分子与电子受体分子两方面与电极接合的可能性大，产生反向电流的可能性高。

　　作为串联阻抗之一的界面，为减小界面的接触电阻，整块异质结薄膜形成后进行后置性缓冷(postannea1)是有效的。一旦缓冷至n共轭高分子的玻璃转移温度以上，聚合物薄膜与电极间存在的结构缺陷等就会得到缓解，并减小了接触电阻。在以蒸着低分子的OTFSC和非晶硅太阳能电池为首的无机薄膜太阳电池中，利用这一结构缺陷的缓解以达到性能改善，具有前所未见的效果。

　　对反向电流的抑制，如图5所示，藉设置金属氧化物薄膜能予以改善。在负极的铝与整块异质结薄膜间，设置非晶的氧化钛，能抑制从负极空穴的漏泄。这一氧化钛薄膜相对于n共轭高分子，作为电子受体功能，不仅有防止逆电流的作用，而且能改善电荷的生成。另一方面，在正极侧将氧化镍薄膜设置在电极与整块异质结薄膜之间，则能抑制电子的漏泄。氧化镍的厚度10nm最佳。详细的机理研究等尚不充分，有待今后验证。

　　4有机薄膜太阳电池的大型化与柔性化
　　OTFSC光电转换率超过4％的事例始见报导，这些报导中电池的受光面积局限在极小的面积上，现状是在0．25以下。这在晴天时通过功率换算还不足lmW。能达到实用有效功率的电池制造技术是目前的研究课题。OTFSC的理论效率一般认为约16％。预测能实用的，不是大功率的太阳能发电，而是充分利用可见光线吸收强度大的室内用太阳能电池。已试制了采用柔性基板的光伏电源，柔性OTFSC的试制品如图6所示。

　　试制的柔性OTFSC的功率约60mW，在性能上还并不充分，用玻璃基板比柔性基板能提高4倍左右的功率。

　　①试制品中采用了并联升压型结构。因太阳能电池不能对应于瞬时的功率变动，故太阳能电池的功率一旦升压，利用锂(Li)二次电池贮能方式，能跟踪瞬时的功率变动。

　　②基板的平整性和气孔等对OTFSC性能影响大，今后应加强对室内照明等供电系统的基础研究，力图将OTFSC向室内供电系统拓宽应用。

　　5结束语
　　有机薄膜太阳能电池作为下一代太阳能电池，被人们所普遍关注。但有关其耐久性及转换效率等，还存在很多尚待解决的课题。而且，考虑面向民生的太阳能电池及对应非晶硅太阳能电池的现状，旨在使太阳能电池低成本化的技术难点也多。

　　有机薄膜太阳能电池的研制，应力求向低成本、高效率化发展。充分有效利用资源、减少制造生产中导致的环境负荷，不断提供新的附加价值，使OTFSC从简单的供电器件迅速发展成下一代理想的太阳能电池。