聚合物太阳能电池综述

文献综述聚合物太阳能电池

一、前言

能源问题和环境问题一直是人类关注的重点。第一次工业革命以来，随着煤、石油等化石燃料的大规模应用，环境问题也日趋严重。在不可再生的化石燃料逐渐减少的今天，寻找更清洁环保的能源已是迫在眉睫。

太阳能以其清洁环保、储量丰富的特点可以很好地解决这些问题，而太阳能电池的研发与应用是关键的一点。无机太阳能电池经过几十年的发展已经很成熟了，能量转换效率大约达到了10% ~ 20%。然而，无机半导体电池也存在着一些缺点，比如：制备成本较高、制备能耗较大、工艺复杂[1]。

近年来，有机聚合物太阳能电池（PSC）开始受到关注，它具有很多优点：提高光谱吸收能力的途径有很多，提高物质载流子的传输能力并扩展光谱的吸收范围；容易加工，成膜性好；物理改性比较容易；工艺简单。这也说明了有机聚合物太阳能电池拥有光明的应用前景和发展空间。

二、聚合物太阳能电池简介

共轭聚合物太阳能电池是一种新型有机薄膜太阳能电池，它由共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受体的共混薄膜活性层夹在ITO 透明导电玻璃正极和低功函数金属负极之间所组成。下图图1-1是聚合物电池的结构示意图[2]。ITO（氧化铟锡）作为电池的透光正极，金属Al、Ca等其他金属作为电池负极，正极和负极之间有一层共混膜，厚度约100-200nm，是由给体和受体材料组成的活性层。聚合物PEDOT:PSS是一层修饰层，厚度约50nm，可以改善ITO电极的功涵和界面性质。

当光透过ITO电极照射到聚合物活性层上时，活性层中的给体材料吸收光子产生激子。激子随后迁移到聚合物受体/给体的界面上，其中的电子就转移到受体材料的LUMO能级上，空穴则在给体材料的HOMO能级上，光生电荷实现分离。

在电池势场作用下，被分离的空穴会沿着共聚物给体形成的通道传输到正极，而电子沿着受体传输至负极。空穴和电子分别传达到正极和负极后，就形

成了光电流和光电压，这就是聚合物太阳能电池所产生的光生伏打效应。大体

的光伏过程为：1．光的吸收；2．产生激子；3．激子发生迁移；4．激子的解离；5．载流子分开、迁移及收集。

三、窄带隙共轭聚合物

如何提高其光电转换率是目前研究的关键课题。制备窄带隙聚合物是解决转换效率低的一种方法。聚合物能带隙就是聚合物中HOMO能级与LUMO能级的能级差。一般来讲，窄带隙聚合物的能带隙小于 2.0eV，它可以吸收的光的波长大于等于620nm。

研究发现，D-A型窄带隙共轭聚合物能够有效提高能量转换效率，这种聚合物由给体单元（D）和受体单元（A）组成。改变其给体和受体单元，可以改变它的HOMO 和LUMO能级，以降低带隙，提高光电性能。D-A共聚物中因给体单元

和受体单元的推拉电子作用，使得聚合物的带隙变窄，从而极大地拓宽了聚合

物的吸收光谱。并且人们可以通过将不同的给体单元与不同的受体单元进行排

列组合，可以在较大的范围内精细地调控聚合物的吸收光谱[3]。

四、D-A共聚物设计要求

影响电池的能量转换效率（PCE）的因素有很多，比如光吸收区的吸收强度、电荷迁移速度、能带隙宽度和活性层的形貌特征等。

1.光吸收：在聚合物太阳能电池的激活区域，要有较强的光吸收。聚合物给体的带隙一般比较大，吸收光谱和太阳辐射光谱并不能较好匹配。我们需要聚合物在可见- 近红外区有宽的、强的吸收，这是提高PCE的重点。在设计聚合物的过程中，在支链上添加基团可以提高光子的吸收，共轭支链上添加上助色团，推、拉电子的基团，促使吸收向可见-近红外区偏移[4]。

2.电荷传输：电荷迁移率是影响电池能量转换效率（PCE）的重要因素。在设计D-A窄带系共轭聚合物太阳能电池的时候，需要材料的电荷迁移率尽可能的大。如受体单元（A）异靛蓝的空穴迁移率，达到了

3.62 cm2/Vs，电子迁移率也有 1 cm2/Vs。相对而言，用作光伏器件材料效果会比较的好。化合物本身结构对电荷迁移率有着重要影响。结构的规律性越好，形成长程有序结构的能力就越好，电荷迁移率便会随之而增大。所以应该选用结构规律性好的化合物来作为聚合物的单体。

3.分子能级：聚合物能带隙的大小直接影响着电池的光伏性能，它决定着吸收光谱的范围和吸收强度，所以 HOMO能级和LUMO能级的大小需要特别关注。用循环伏安法(CV)测定共聚物的起始氧化电势和它的起始还原电势，用起始氧化电势、起始还原电势能够计算得出HOMO和LUMO能级值。想要提高材料的HOMO能级可以考虑在共轭链上添加推电子取代基团，以增强给电子能力。同时在推电子取代基团提高HOMO能级的时侯，也会提高LUMO能级；而吸电子取代基团降低LUMO能级的同时，也会降低HOMO能级[5]。

所以在设计共聚物材料时，要综合考虑推电子基团和吸电子基团的影响，寻找到恰当的方法，使共聚物的能量转换效率达到最大。

4.活性层形貌：活性层形貌同样对聚合物太阳能电池有着巨大的影响。电荷传输受到给体单元和受体单元所形成的微观结构的影响。活性层均匀、连续的互穿网络的纳米结构对电池性能的提升效果显著，它的电荷传输能力较强，J sc明显提高。在活性层中加入添加剂，进行退火等处理有助于得到网络纳米结构，这是聚合物太阳能电池优化的一个重要方法[6]。

五、结论

尽管这类太阳能电池仍存在着能量转换效率（PCE）不够高的缺点，最高的只有8%左右，与无机太阳能电池间还存在较大差距，但D-A共聚物的巨大优势和潜力，吸引了越来越多的人开发新型的窄带隙共轭聚合物，并使得有机太阳电池材料得到蓬勃发展。近几年，不断有高效率的新型窄带隙聚合物被设计、合成并报道出来，使其应用呈现出光明的前景。

参考文献

[1] 王福芝，谭占鳌.基于交联型窄带隙D—A共聚物的高效平面一本体异质结聚

合物太阳电池[J].

[2] 欧阳平. 聚合物太阳能电池的研究[D].北京交通大学.2007,12,1,1-20

[3]MoritaS，Zakhidov，Yoshino K．Doping effect of Buckminster

fullerene in conducting polymer：change of absorption spectrum and quenching of luminescence[J].Solid State Communications，1992，82(4)：250—252．

[4] Amb C M，Chen S，Graham K R，et a1．Dithieno germole as a fused

electron donor in bulk hetero junction solar ceHs[J]．201 1，

133(26)：10062—10065．

[5]王坤. 基于新型受体单元的 D-A 共聚物的合成和光伏性能[D]. 东北师范

大学, 2013.

[6] T．Mikyana，H．Matsuoka,M．Ara，etal．Solar Energy

Materials&Solar Cells，2001，65：133.