有机薄膜太阳能电池关键技术研究
人类进入21世纪，能源问题非常严重。传统化石能源储量正在逐渐减少，面临枯竭，并且其燃烧释放的气体（如二氧化碳等）已造成温室效应等各种环境问题频发，正在威胁着人类生存。另一方面，人类对电力的需求正在飞速增长，可再生能源就成了最好的替代能源。因此，聪明的人类将目光投向了各类清洁能源，如：水能、风能、潮汐能、核能以及太阳能等。万物生长靠太阳，作为清洁能源之一的太阳能也就逐渐进入人们的视野，更重要的是太阳能几乎占地球总能量的99%，以分布广泛，不受地域限制，用之不竭，对人和环境无害无污染，故受科学家们的青睐，随着技术的发展，光电转换效率的提高，太阳能的对人类能源的贡献正在逐年增加。
本文介绍了太阳能电池的历史背景和发展状况，并简要阐述了太阳能电池的基本工作原理；重点介绍了有机薄膜太阳能电池的制备过程中的关键技术，制备了以P3HT（聚-3己基噻吩）:PCBM（[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester）为活性层的有机薄膜太阳能电池；通过光电测试系统，测试了有机太阳能电池的I—V特性曲线通过分析电学特征测试结果得到了改进制备过程中的优化参数，确定了有机薄膜太阳能电池的更佳制备方案。通过本文的研究工作更加了解了有
机太阳能电池在未来的发展方向。
1.1 引言
当下，由于人类的过度开发，不可再生能源枯竭，使得世界各国不得不研究、利用可再生能源。太阳能电池以其可再生、分布广、不受地域限制、且用之不竭、无污染的优势首当其冲，光伏发电的发现，为太阳能的利用提供了原理基础。
在太阳能电池的发展史上，人类最先发现的是硅系太阳能电池，但是提取高纯硅，工艺复杂，价格昂贵，使其受到一定限制，而且硅系的太阳能光电转化效率，理论极限为25%，也就是从根本上限制了它在未来市场的发展。近几年来，各种多元化合物太阳能电池逐渐进入主流市场，典型的有：砷化镓（GaAs）、磷化铟镓（GaInP）、锑化镓（GaSb）、碲化镉（CdTe）等。此类电池以光电转换效率高为优势，发展迅速，目前以GaAs作活性材料的太阳能电池转化效率达到30%，不幸的是，自然界中Ga、In为稀有元素，Cd为剧毒元素，其本身的限制因素使这类电池的发展受到根本性的限制。从而，以凝聚态形式存在的、结构稳
1
定的有机薄膜太阳能电池，有潜在的优势，例如，柔韧性好，易加工、大面积图层、质量轻、成本低、清洁安全等[1]，这将决定，有机薄膜太阳能电池将占主导地位。
有机太阳能电池大多是聚合物材料制作的器件，本身有柔韧性好，可卷曲，轻质便利等特点，应用将会特别广，可在窗帘、帐篷、衣物等上边做太阳能电池，而且不用时可以卷起来，或者折叠起来，使用时平铺、非常方便携带，有潜力将来取代无机太阳能电池。但是，就现在而言，有机薄膜太阳能电池也有它的局限性，那就是技术不成熟，光电转换效率低，在6%~8%左右，使其发展缓慢，在这方面，还需做进一步的研发和改进。
1.2 有机薄膜太阳能电池发展过程及现状
1954年美国贝尔实验室研制出转换效率为4%的单晶硅太阳能电池[2]，翻开了人类能源新的一页。1958年，Kearns和Calvin以酞菁镁（MgPc）染料为材料，成功制备了有机光电转化器件，但是，有机分子材料的激子束缚能力太弱，光电转化很低。为达到有机太阳能电池中空穴和电子的有效分离的目的，在1986年C.W.Tang[3]发表的文章中，C.W.Tang做了一些开创性的工作，C.W.Tang研制的器件，核心思想是做一个双层膜构成的异质结，即用酞菁铜（CuPc）和一种四羧基苝的衍生物构成的双层膜代替无机异质结，这个思路时至今日仍然是一个研究重点。1992年，A.J.Heeger[4]发现了另一种空穴和电子有效分离的方法，即在混合P-型共轭高分子时，C60快速的吸收来自有机半导体分子中的激发态电子，使得C60和有机材料界面上的空穴电子分离，分离后电子在C60分子轨道中离域，达到稳定结构，也就是说，C60是一种很好的电子受体材料。在以上研究基础上，1993年,Sariciftci研究的C60/PPV双层膜太阳能电池问世。从此，用C60作电子受体材料的各种双层膜有机太阳能电池出现。在大量该类型电池出现在实验室时，科学家们又发现，虽然激子在两层膜的界面处分离，但离界面处较远的激子来不及移动就复合了，故双层膜异质结太阳能电池的激子分离能力还不够，而且有机材料中，载流子的迁移率比较低，限制载流子的传输。这都影响双层膜异质结电池的转化效率。为解决这个问题，“体异质结”应运而生，1995年，Yu把C60:MEH-PPV混合材料做成互联网络结构，致光电转化效率提高至2.9%[5]。2001年，《科学》杂志报道了英国剑桥大学friend等人的研究，该研究称使有机太阳能电池的外量子效率在490nm处达到34%，转换效率为1.95%[6]。2003年，据Forrest研究小组报道，将能量转换效率提高为3.6%[7]。
2
现如今，研究方向主要集中于体异质结太让能电池，以P3HT和PCBM材料最为典型，2007年，科学家通过叠加吸收不同波段材料，使能量转换效率超过6.5%[8]。2011年三菱化学报道一种体异质结的电池结构，用涂布转化技术使转化效率提高至9.26%[9]。去年，德国的Heliatek公司称，他们研制的有机薄膜太阳能电池的效率超过12%。创下世界最纪录。
在国内，不少研究机构也都从事这方面的研究，但是目前和国际先进水平还相差甚远，在研究广度和深度上都有较大差距，就研究效率来说，我国国内目前
的水平仅仅达到2.9%[5]。 本文主要做了以下两部分研究：第一部分，在了解太阳能电池的基本工作原理的基础上，制备了ITO/P3HT:PCBM/Al结构的有机太阳能电池，研究了其制备工艺；第二部分是对第一部分制备的样品的基础上，做了相关电学测试，并分别做了不同光强、不同阳极缓冲层厚度的比较研究。得到以下结果：
实验制备的太阳能电池，其测量数据符合理论的分析，I-V曲线成指数增长形式，并有明显的光伏特性，开路电压、短路电流都随光强的增大而明显增加。
在实验中我们发现，有机活性层容易受环境影响，特别是在氧气、水蒸气和光照下容易失效。而实验时，由于旋涂和退火、真空镀膜等工艺流程的样品转移不得不见光、见空气，从而影响了电池的吸收效率和寿命。在测量时，我们发现，镀了Al电极之后的器件，在强光照下，也特别容易失效，器件的寿命较短。这方面我们还需要做大量工作加以改进。
总之，目前的主要问题是，有机太阳能电池的效率比较低，故不断提高器件的效率是首要任务。接下来的工作中，我们将致力于解决这些问题。以提高光电转换
效率、延长电池的寿命。
3
有机薄膜太阳能电池关键技术研究
