[实用新型]有机聚合物太阳能电池

说明书

技术领域

本实用新型涉及太阳能电池，特别涉及一种有机聚合物太阳能电池。 

背景技术

　　太阳能发电是指将太阳光辐射转化为电能的技术。其中，一类是把太阳辐射转换成热能，再利用热能发电，称为太阳能热发电；另一类主要是利用半导体p-n结器件的光伏效应，把太阳能直接转换成电能，称为太阳能光伏发电。太阳能电池属于第二类，所以太阳能电池也叫作光伏电池。光伏发电的历史可以追溯到19世纪Becquerel在氯化银电解液系统中首次观察到光伏现象。在过去的几十年中，无机半导体类太阳电池得到了快速发展。1954年，美国贝尔实验室研制出第一只光电转换效率为6%的扩散p-n结单晶硅太阳电池，如今无机半导体太阳电池的效率可以达到37.9%，几乎占据了2/3的太阳电池市场，尤其在航空、航天等高新技术领域更是有着无与伦比的优势。 

　　虽然利用光生伏打效应的光伏电池可以充分利用太阳光，对太阳能的转化效率较高，但是在全球范围内的安装容量却很有限，难以普及。这是因为目前占据市场主导地位的基于无机Si、Ge、GaN、GaP、GaAs等半导体的光伏电池，造价高昂。尽管近几十年的工艺改进和技术进步已经使其价格下降很多，却仍然无法令人们普遍接受，而且已经不存在进一步大幅降低的可能性。虽然现在的无机硅太阳电池的最高光电转换效率已超过24%，基于砷化镓半导体等III-V族太阳电池的效率也达到了32%，但是它们苛刻的制造条件致使其生产成本依旧高居不下，而且制造过程中还会产生某些污染环境的剧毒物质。不仅如此，无机光伏电池的非柔韧性和不易加工等缺点也在一定程度上限制了这类电池大面积化的实际应用进程。和无机光伏电池相比，有机聚合物光伏电池在制造工艺和生产成本方面有着明显优势。首先，有机材料合成成本较低，材料本身的柔韧性和成膜性都较好，且功能易于调制，可以通过分子设计获得新型的有机小分子或聚合物材料；其次，有机光伏电池加工工艺相对简易，可通过溶液旋涂、喷墨打印和丝网印刷等湿法成膜在低温制备；最重要的是有机光伏电池还有很多潜在优势，包括可使用柔性衬底制出特种形状的器件，可实现大面积廉价制造，产品重量轻、便于携带等等。因此近年来，有机聚合物光伏电池受到学术界和工业部门的广泛关注。 

有机聚合物太阳能电池最常见的结构是由Heeger等提出了“本体异质结”。所谓“本体异质结”，就是将给体材料和受体材料混合起来，通过共蒸或者旋涂的方法制成一种混合薄膜。在本体异质结器件中, 给体和受体在整个活性层范围内充分混合, 形成D/A互穿网络结构，D/A界面分布于整个活性层，本体异质结中的电荷分离可以发生在整个活性层内。共混活性层增大了给受体界面，使D/A异质结更加分散，缩短了激子扩散到D/A界面的距离，从而减小了激子的复合，因此本体异质结中激子的解离效率更高。 

　　但是必须指出的是，这种结构也并非尽善尽美，本体异质结器件的载流子传输效率较差。这是因为在双层异质结器件中，载流子（电子和空穴）的传输介质是空间范围内连续分布的受体和给体材料，而本体异质结中给体和受体是呈共混状态的，虽然可以增大D/A异质结界面，但这种互穿网络结构的无序性也在一定程度上限制了载流子的传输。为了尽可能达到给体都与阳极接触，受体都与阴极接触的最理想状态，后来的研究表明，可以通过热处理（退火）的方法使共混活性层薄膜发生分子重排，在不影响互穿网络结构的同时改变聚合物分子的微观结构以增强其有序程度，形成微观相分离，为载流子提供连续有效地传输路径，有利于电荷的定向传输和提高迁移率。这种双连续的D/A互传网络结构使得电荷分离与电荷传输收集具有了同等效率。目前有机聚合物太阳能电池中的最高效率纪录仍由本体异质结型电池保持。 

　　在过去的十几年里，经过科研工作者的不懈努力，有机聚合物光伏电池已获得了较高的开路电压。但是和无机光伏电池相比，其短路电流和填充因子还是较低，致使光电转化效率较低；材料对环境中的水、氧较为敏感，导致器件稳定性较差，使用寿命不长，这两点极大地限制了有机聚合物光伏电池的商业化进程。下面介绍一下聚合物材料对器件性能的影响 

　  有机聚合物光伏电池的光电转化效率及稳定性是制约其产业化的瓶颈，因而也成为当前的研究热点。

发明内容

本实用新型的目的就是为克服现有技术的不足，针对有机聚合物光伏电池的光电转化效率及稳定性的难题，提供一种新型有机聚合物太阳能电池的设计方案，改进聚合物光伏电池的结构，从而大大提高光电转化效率及稳定性。