有机太阳能电池有望商品化

　　（华糸理工大学精细化工研究所，上海200237）臀戌您以有机太阳能电池为主题的SPE会议（国际光工程学会年会）于2001年8月2日在美国圣地亚哥市举行。会议共有100多人参加，其中华人学者约10人（包括大陆学者2人）。会议主席由美国海军研究所Kafafi博士担任。

　　地球每年吸收的太阳能为5.4X1024焦耳左右，相当于目前世界上所有使用能源的几万倍，因此在太阳能的利用中，太阳能电池的应用研究是人们非常关注的。由于太阳能取之不尽，其成本与大规模传统燃料发电相比要经济得多，且对生态环境的保护有着深远的意义。基于无机材料的太阳能电池虽早已商品化，然而其成本高，以及无机材料不可降解的毒性和不易柔性加工等问题，使得人们自20世纪70年代起就开始探索有机太阳能电池。目前，基于全有机材料的太阳能电池光电转换效率大多在3%以下，尤其影响其实用化的关键是电池寿命较短。

　　现在太阳能电池市场中主要是无机材料，其中单晶或多晶硅的光电转换效率为14%左右，非晶硅为6%，而其他无机材料如CdTe、CuInSe等的光电转换效率为8%~10%，其发电成本约为6美元/瓦。瑞士和以色列的研究者发现无机材料太阳能电池的稳定性约为每年下降1.5%，即太阳能电池一般使用寿命在10年。现在看来，无论是无机还是有机材料，其使用寿命均是首先要改进的，其次才是效率和成本。

　　瑞士洛桑联邦研究院的Gratzel教授于1991年首先发明的Gretzel型太阳能电池是太阳能光电化学上的一次重大突破，其光阳极是用丁iOz纳米粒子烧结在导电玻璃基底上，形成纳米多孔膜，然后在此多孔膜上吸附一层钌的联吡啶络合物，对电极则是镀有若干分子层厚Pt的导电玻璃，电解液是含有厂//厂的PC或EC溶液，其光电转换效率可超过10%.由于成本可降至0.5美元/瓦，因而有着极其广阔的应用前景。11（纳米多孔膜的吸收主要在400nm以下的紫外光谱区，为了更多地吸收和转换太阳能，染料敏化1纳米多孔膜必不可少。钌的联吡啶络合物是目前国际上转换效率最高的敏化染料，光电流响应的敏化区已达800nm，其敏化机理已有许多研究。一般认为，钌的联吡啶络合物与71纳米晶的导带、价带能级匹配较好，光生电子由染料激发态传递到1纳米晶的导带上，钌的联吡啶络合物具有较宽的吸收谱带，其激发态寿命也较长，这决定了钌的联吡啶络合物与纳米晶配伍时产生较高的光电转换效率。然而，就Gratzel型太阳能电池而言，11纳米晶光生载流子传递到氧化还原对上是通过导带还是通过表面态，71纳米孔结构阻碍厂扩散的程度在多大程度上限制了光电流等基本问题尚待进一步研究。最近，G.J.Meyer指出光电转换效率低的原因是更慢的厂扩散氧化速率；S.Licht研制了多重带宽的光电化学太阳能电池，更好地与太阳光谱相匹配以期获得更高的光电转换效率；美国的P.V.Kamat研究组制备了纳米结构SrtQz多孔膜电极，并用染料进行敏化，指出反向有机材料应用于太阳能电池首先面临的仍然是稳定性问题，最近国际学术界在有机电致发光器件领域取得的突破进展和一些技术Know-how正在不断地被应用于有机太阳能电池，其中用香豆素类染料进行敏化的太阳能电池光电转换效率已高达5.6%，用半花菁染料进行敏化的器件效率也已达到麟涂戌您2.5%，丨。述进展y10年前（hud教授m联吡啶钌络合物敏化太m能电池所达到的光电转换效率1 %所不M的坫，现在已开始探索新型稳定廉价的敏化染料。稳定性和成小是急需解决的义踺。会上SQTXRQNIXSA公司报道r他们利用锐钛型（Anatasc）：氧化钛纳米颗粒（丨020nm）制备的太阳能电池，用半花矜敏化可以获得开路电压930mV，短路电流4.2mA/m2，其中的载体可以用聚合物pet（i75厚，rro：6n/口）以制备柔性电池板，制成的电池操作半寿命为23个月。奥地利Unz大学的学者利用他们制备OIZD的技术，比如LiF金属电极、PETX兀修饰rro电极等手段，用改进的碳60为电子传输体，可溶性PPV聚合物为空穴传输体制备全有机的太阳能电池，其优点在于完全没有相分离。实际上，除了1991年瑞士洛桑Gratzel教授用联吡啶钌络合物敏化二氧化钛太阳能电池外，华人学者G.Yu与中国教授曹墉1995年在Heeger教授（2000年诺贝尔化学奖获得者）实验室已首先实现聚合物太阳能光电转换。目前华南理工大学的曹墉教授仍然在探索全聚合物固体太阳能电池。

　　关于全有机太阳能电池均相掺杂的关键在会上有较深入和详细的讨论，美国再生能源国家实验室的Gregg博士认为有几点条件应当满足：①掺杂必须固定在（无机）半导体晶格中；②薄膜中不存在可迁移的离子；③掺杂体与主体之间的化学特性应相似，以避免相分离；④掺杂体不应形成一个深的电子陷井，即其氧化还原电位应与主体之间相差不大。以这些条件出发，Gregg博士利用稠环芳香染料一茈进行所谓的“自我掺杂”，即先将茈的母体进行电荷化（如注入电子形成n-型掺杂体），再将n-型茈的掺杂物与母体茈进行掺杂，在1mol%的高掺杂浓度下，没有发现任何相分离现象。同时电导率高达0.01S/cm.此外，Gregg还用可溶性茈与聚合物掺杂，获光电转换效率1.5%的太阳能电池，是很有希望取得进一步突破的。意大利的学者甚至直接用PPV的多聚（齐聚）体与茈相连，制备给体（PPV）化工研究所合成了一系列新的具有良好的溶解性的茈酰亚胺类化合物，该类化合物除具有很强的荧光外，还具有很高的热稳定性，足以应用于有机太阳能18电池屮他们W北。人学丨匕学系作制浴厂（1冲敏化无机纳米材料电极，比如St<）2，AiC）等，该。敏化剂激发态能级与纳米粒f带能级相匹况，能够拓宽CriE/SnQz产生光电流的波K范旧，在400…600nm的可见区范阀内光电流拟工区非常宽，太R|能电池的单色光光电转换效率IPCF：值垴人达24%（500nm处）。另外，他们还合成系列多烷接取代的喹丫啶酮类化合物，应用十太阳能电池敏化材料，也取得了高稳定性的结果。在解决稳定性问题；〔-，现在正着f-提高光电转换效率。

　　目前有机太阳能电池有机光伏材料研究最为广泛的仍是PPV和碳60类。美国空军研究所用胺基改进的多碳链碳60，由于其溶解性奸从而可以进行无机一有机杂化合成，制备出核一壳碳60纳米颗粒。另外他们还将PPV聚合物包渡在二氧化钛纳米颗粒上，制备出新型光伏有机材料。

　　除了典型的二氧化钛无机半导体材料外，人们最近还在探索其他无机半导体。比如无害的ZnO以及SnOz等。目前全塑料的太阳能电池的制备成本为2美元/平方英寸，而非晶或多晶硅太阳能电池的制备成本为2050美元/平方英寸。由此可见，有机太阳能电池的成本优势具备相当竞争力。尽管如此，与会者均认为有机太阳能电池的前景还不容太乐观。因为电池成本占使用太阳能整个系统成本很小一部分，在黑暗（黑夜）以及没有太阳的时候，才是人们使用电能最多的时候。如何将太阳能转换成使用方便的电能，其中的辅助装置的成本居高不下是影响太阳能电池发展的“瓶颈”问题之一。

　　实现低成本高效率有机一无机杂化太阳能电池产业化，对于我国太阳能的利用开发、生态环境保护等可持续性经济发展有重大意义。特别是对于像北京、上海这样的特大城市，由于汽车废气造成的城市污染已相当严重，开发汽车和旅游观光汽车用的清洁能源已成为我国乃至世界各国的重点目标，而太阳能电池正是符合这一特点的低成本清洁能源，它对于我国发展高科技产业具有十分重要的学术与实用价值，并可能产生很大的经济和社会效益。同时，有机太阳能电池还可应用于其他高技术产业，如作为便携式电脑、航空航天器的能源等，也可大量应用于曰常生活中，如手机电池、太阳能遮阳伞、家庭热水器等方面。，