有机薄膜太阳能电池的结构与制作技术-北极星太阳能光伏网

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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有机薄膜太阳电池的断面图及发电机理

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π-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π共轭高分子（P3HT）和电子受体分子（C61-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π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π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π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π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polythiophene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。

图2窄带隙聚合物得一侧

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