基于光学工程实现高效聚合物太阳电池

摘要：可再生能源可以说取之不尽用之不竭的。现阶段的技术手段达不到真正节能的目的。在我国, 丰富的太阳能资源为我国发展太阳能利用相关产业提供了先天优势。但是传统的单晶硅太阳能无法实现大规模民用商业化。在这一背景之下, 聚合物太阳能电池技术应运而生。聚合物太阳能电池成为目前太阳能利用领域的研究热点之一。本文说明了聚合物太阳电池机理, 阐述了基于光学工程下实现高效聚合物太阳电池性能的有效措施。
  
   
    随着光学工程的不断发展, 聚合物太阳能电池大规模的商业应用也指日可待。可见, 聚合物太阳能电池的发展是能源利用领域的又一次伟大的革命。太阳能作为一种新型的清洁能源成为全世界科学家的研究的焦点。聚合物太阳能电池是在两个具有不同功函数的电极之间添加具有光敏性质的聚合物半导体材料, 利用光伏效应弥补了部分无机太阳能电池的不足, 因此使得其在柔性太阳能电池领域有广泛的应用前景。聚合物太阳能电池具有低成本、柔性、轻薄等特点, 因目前聚合物太阳能电池面临着能量转化效率低、寿命短等难题, 需要我们探究基于光学工程下聚合物太阳能电池的性能的传输过程以及自由载流子的收集过程。
   
    1 聚合物太阳电池机理
   
    聚合物太阳电池能够直接将太阳能转化为电能。由于它们大采用溶液加工技术的独特制造优点, 兼容质量轻, 柔性衬底和卷对卷生产工艺而备受关注。通过构建光学谐振腔, 实现了光线的多次反射, 这样不但可以提高量子效率, 而且也大幅度优化电池性能。使用具有较低能带结构和宽吸收光谱的新型聚合物有利于优化膜层厚度, 促使量子效率的提高。目前, 结合体异质结结构的发展, 形成了现在聚合物太阳能电池中最常用的共轭聚合物和富勒烯衍生物混合体系的体异质结结构。
   
    当半导体光子的能量大于或等于半导体的禁带宽度, 就能在半导体中产生大量的电子/空穴对, 这种现象称为内光电效应。电子从低功函数的金属电极穿过有机层到达高功函数电极, 从而产生光电压形成光电流。体异质结结构具有巨大的开发潜力。在此结构中受体分子紧密接触增加了D/A接触面积, 从而促进了电荷的分离和传输。如果能有效减少这些“孤岛”尺寸, 就会提高电池的光电转化效率。多层体异质结有机太阳能电池增加了活性层对光的吸收能力, 进而产生光伏效应。
   
    2 提高聚合物太阳能电池性能
   
    近来, 无机半导体特性或金属导电性的双重特性为聚合物太阳能电池降低成本提供了极其有利的条件。目前很多物理学、材料学的相关专家将研究成果广泛应用于聚合物太阳能电池领域。通过构建光学谐振腔, 实现了光线的多次反射, 这样不但可以提高量子效率, 而且也大幅度优化电池性能。使用具有较低能带结构和宽吸收光谱的新型聚合物有利于优化膜层厚度, 促使量子效率的提高。
   
    2.1 提高空穴的收集和输运能力
   
    由于对光伏器件的光透过率影响较小, 可以在ITO与PEDOT:PSS之间构建一个中问能级, 以便增加阳极处的空穴收集。此外, 采用缓冲层修饰的器件在退火后获得了较高的填充因子, 其中, 采用复合缓冲层修饰的器件光电转换效率比传统器件有了较大提高, 同时也有效减少了因杂质扩散而造成的缺陷复合中心, 进而提高了聚合物太阳能电池的稳定性。如:叠层太阳能电池, 无论是哪一种太阳能电池材料, 使得材料都不可能在很宽的光谱范围内有良好的光谱响应, 因而将太阳能光谱的各个波段更有效地利用, 就是叠层太阳能电池。叠层太阳能电池可以在不同的传输层进行转移, 通过制备给体材料层和受体材料层, 形成排布规则有序且与电极接触良好的活性材料层, 然后不断激子解离的相分离界面, 最后形成独立载流子传输通道。
   
    2.2 利用紫外臭氧处理可以获得更高的效率
   
    聚合物太阳能电池通过控制活性层薄膜的生长过程有助于大幅度提升电池的开路电压, 典型的低带隙聚合材料作为光学间隔层插入到活性层和内部光线的传播, 使得活性层得到最大的量子效率。同时我们还要寻找一种新的、更简单、更实际的提高短路电流和光电转换效率的方法。聚合物太阳电池器件要兼顾光学层面比较厚和电学层面比较薄的器件设计。采用PFN界面层可以和光活性层形成欧姆接触保证电极传输和收集。随着聚合物太阳电池活性层厚度的增加, 一些特定的厚度主要是用来接收比较低的光吸收效率。当活性层的厚度达到200nm以上时就形成了空间载流子限制光电流, 从而不断提高厚膜太阳电池的器件性能。
   
    同时通过一种P型金属氧化物 (氧化银) 薄膜与常用的阳极缓冲材料PEDOT:PSS组成的复合, 使电池获得更好的稳定性。聚合物太阳能电池随着光学的发展器件效率稳步提高。采用本体异质结结构的聚合物太阳能电池, 可以保证激子通过扩散运动到具有互穿网络结构的给受体界面处, 在内建电场的作用下形成通道传输, 从而得到更加平衡的载流子输运过程。
   
    2.3 提高光吸收和转化效率
   
    基于半导体的异质结构或金属半导体界面附近的光生伏特效应, 促使太阳能电池的电子在受电子材料中进行传输。在测试太阳电池的功率时, 必须规定标准测试条件, 并联结构的本体异质结构设计避免了常规叠层电池需要精心设计和严格控制中间连接层的需求, 从而明显降低了器件制备的复杂性。更加重要的是, 本方法可以更大幅度提高光吸收和转化效率。因此, 类似并联结构的体系可以改变给体之间的混合比例而调节。与单结的二元本体异质结器件作为一种进一步提高聚合物太阳电池的效率的新途径, 值得大家的深入研究。
   
    2.4 构建光学谐振腔, 有效增加反射光强
   
    电池性能的改善不是由于电池内部电荷转移速率提高而造成的, 在电池内部插入Ag薄层, 会增加活性层对于入射光的吸收, 随着Ag薄层的厚度增加, 透射率没有受到太大的影响, 但是插入Ag层后, 电池的外量子效率逐渐提高了。光生载流子的数目大幅度增多, 相对于没有插入Ag层的标准电池短路电流提高了30%, 使得活性层对光的吸收达到最大。随着Ag层厚度的进一步增加, 短路电流密度和转化效率均低于没有插入Ag薄层的标准电池, 可见, 当活性层薄膜采用境静置生长10min和膜厚控制在80nm左右时, 电池得到最佳转换效率。
   
    参考文献  
    [1]罗国平.基于光学工程实现高效聚合物太阳电池[D].华南理工大学, 2016.
    [2]杨成东.有机场效应晶体管新型聚合物半导体材料的合成及性能研究[D].杭州师范大学, 2016.