采用叠层结构的有机太阳能电池的介绍

采用叠层结构的有机太阳能电池

美国国家标准局（NIST，马里兰州Gaithersburg）最新的研究成果——一种新型的具有商业价值的太阳能电池——使太阳能电池更加接近于实际应用。NIST的科研人员对复杂的有机光电材料进行了深入的研究，这种新材料是有机光电器件的核心部分。

有机光电器件依靠有机物分子将吸收到的太阳光转化为电能，相对于传统的硅材料电池具有显著的优势，因而成为研究的热点。有机太阳能电池的原料为一种类似墨水的物质，将其涂覆在柔性表面从而制造出能够覆盖大面积的太阳能电池模块，这个过程与展开一卷地毯类似。有机太阳能电池制造成本更加低廉，并且易于为多种功耗应用所采纳，但是，要真正应用到实际还需要对该技术进行改进。

不同种类太阳能电池的转化效率相差很大，这主要取决于太阳能电池单元的制造工艺。单晶硅太阳能电池是在由单晶硅棒切割而成的厚度为200微米的硅片上制造的，处于试验阶段的电池的转化效率已经接近24%，商用模块的转化效率也已经超过15%。多晶硅太阳能电池是在多晶硅锭切片上进行加工，因而制造成本低廉，但同时电池的转化效率也低于单晶硅电池。目前，处于实验室阶段的多晶硅电池的转化效率达到了18%，商用模块的转化效率接近14%。典型的太阳能电池模块的使用寿命可以达到20年左右。

从转化效率和使用寿命的角度来看，即使是目前性能最佳的有机物太阳能电池，光电转化效率也未达到6%，使用寿命也仅有几千个小时。NIST的DavidGermack表示：“工业界普遍认为，当该太阳能电池的转化效率超过10%，同时使用寿命达到10000小时后，这项技术将会被以更快的速度被采用。”如何对电池进行优化，关键在于了解材料内部的变化，但我们对于这方面的研究还处于起步阶段。

近期，NIST的研究团队对材料的研究已经取得了突破性的进展，采用新型有效的测试方法揭示了如何控制有机光电材料合成的方法。有机光电器件制造工艺中所用的“墨”通常是由能够吸收太阳光（通过太阳光照射使材料释放电子）的有机物材料与富勒烯混合而成，富勒烯是一种由碳原子构成的球形分子，主要用于收集电子。当“墨”涂覆到表面后，有机材料和富勒烯的混合物会硬化形成薄膜，硬化过程中，有机材料所形成的随机网络与富勒烯通道（如图所示）混合在一起。对于常规器件，理想状况的有机物网络要能够完全接触到薄膜下表面，而富勒烯通道则将与上表面接触，从而电流能够沿着正确的方向流出器件。尽管如此，如果在有机物与薄膜下表面之间形成富勒烯阻挡层，电池的光电转化效率将会降低。

通过测量薄膜界面对X光的吸收情况，NIST发现通过改变电极表面的特性，可以使其排斥富勒烯（就好象油排斥水一样）同时吸引聚合物。这样，界面的电学性能也会发生显著的变化。最终的结构将提高光电流到达恰当电极的几率，同时降低富勒烯在薄膜底部的沉积，这两方面都将使太阳能电池的光电转化效率或者寿命得到改善。

Germack表示：“针对薄膜的边缘，我们已经确定了一些需要进行优化的重要参数，这也意味着整个行业将着手对太阳能电池整体性能进行优化。”

目前，NIST的研究人员根据其对薄膜边缘的了解，开始对整个薄膜内部的反应进行研究。这方面的知识对于研究有机太阳能电池的工作原理以及老化过程，以及如何延长其使用寿命至关重要。