科学意义和应用

科学意义和应用前景：
有机太阳能电池是根据光生伏特原理，将太阳能直接转换为电能的一种半导体光电器件，可为空间技术提供长期可靠的能源，可用于地面上无人气象站、无人灯塔及无人中继站电源等。

随着地球上石油、煤等能源日渐耗尽，人类对于再生性能源的需求更为迫切，太阳能的利用已提到了重要议程，得到世界各国广泛的重视。

由于每天太阳投射到地球表面的能量大于地球所需的一万倍以上，对太阳能的利用是个源源不断的绝佳能源替代方案。

一直以来在太阳能电池的发展和利用上多采用硅芯片电池来捕获太阳能，因而价格昂贵而无法被广泛的使用。

目前为止大多数的太阳能电池仅在小型家用电器上应用，离真正被工业利用尚有一大段的距离。

近年来一种新型的有机太阳能电池采用有机材料制成，具有成本低廉、工艺简单、超薄质轻、绕曲性、功耗低、优良的抗震性以及容易实现大面积化等优点而具有非常广阔的应用潜力。

极其适用于可充电的个人数码电子产品等消费用品；可用于边远乡村、山区及海洋发电；可在不同材质基板上做成能弯曲、可折叠的便携式太阳能电池；可贴覆在大的面积上；还可适用于军事、地质等恶劣环境。

目前研究和应用最广的太阳能电池主要是单晶硅、多晶硅和非晶硅系列电池，但由于其生产工艺复杂、成本高、难设计、不透明以及基本达到其转换效率极限等问题，使其大面积实用化受到很大的限制。

要使太阳能发电得到大规模推广就必须降低太阳能电池的成本。

而有机聚合物太阳能电池以其低成本、轻重量、分子结构可设计性、生产工艺简单、可实现大面积柔性制备等优点，日益被各国所重视。

尽管目前有机聚合物太阳能电池光电转换效率低，大约为1～5%，还不能与无机太阳能电池相抗衡，但它具有的应用前景和潜力十分广泛。

太阳能电池的一个重要指标是转换效率（把可利用的太阳能最大限度地转换为电能）。

事实上，科学家们发现有机太阳能电池已经有好几年了，但是一直无法突破其光电转换效率低的问题，成为其应用的最大障碍。

第一个有机太阳能电池是在1986年就问世的，但是其光电转换效率只有1％，而且这个数字一直维持了15年。

2003年，美国普林斯顿大学电机工程系的研究人员结合各种最新研究成果，制造的有机太阳能电池，其光电转换效率达到5％。

这种新的太阳能电池供电效率并不比传统太阳能电池高，但它的造价却非常低廉。

大多数晶体硅光电池的能量转换效率为12～15％，每平方米成本300美元（相当于太阳光最强
时，产生1瓦特电能的成本为3.5美元）。

因此目前有机太阳能电池研究的主要目标是提高电池的能量转换效率，实现其与硅电池竞争的水平，而使用寿命达到10-20年，并降低成本达到每瓦特电能约50美分以下。

现在公认的用于有机太阳能电池上使用效果最好的RuL2(SCN)2制备过程比较复杂，而钌本身又是稀有金属，价格昂贵，来源困难，用它制造的有机太阳能电池不能充分体现有机太阳能电池成本低廉的优点。

因此，寻找低成本且性能良好的有机光电池材料也是当前需要研究的一个重要课题。

具有巨大而广阔的市场前景。

尽早完成高效有机太阳能电池的研发已成为当务之急。

国内外研究状况、水平和发展趋势：
目前，世界有机太阳能电池的研究尚处于萌芽期。

国外涉足有机太阳能电池的研究机构基本还处于研发阶段。

Grätzel小组报导的染料敏化型太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cells, 简称DSSCs)效率可达11%，但因使用液态电解质而存在不易封装及漏液的潜在问题，影响其长期使用寿命；虽然以固态电解质则可以改善上述问题，但是由于异质界面的接合不佳，使得电池的效能仍然很低。

美国加州大学Alivisatos于《Science》期刊中报导的高分子太阳能电池，采用导电性的高分子及无机纳米材料混合系统，可达1.7 %能量转换效率，但其所用的可溶性导电性高分子材料导电性并不好，而且没有解决有机/无机的异质界面之间接合不佳的问题，因而转换效率仍嫌不足。

奥地利Sariciftci教授等采用共轭高分子及C60衍生物制造的有机太阳能电池能量转换效率为2.5 %，但光电转换表面积未加以扩大，并且异质材料的互溶性不佳而容易造成相分离，因此能量转换效率仍不够好。

我国在这一领域的技术水平与世界处于同一起跑线，若能够抓住这个机遇在有机光电材料和有机太阳能电池器件的研发方面率先取得突破，就有可能在行业取得一定的主导地位。

中科院长春激发态实验室采用NPB和稀土化合物[Y(ACA)3phen]制造的薄膜有机太阳能电池取得0.7％的功率转换效率；清华大学化学系有机光电子实验室、华东理工大学等单位也在开展此项工作。

据分析我国进入该领域有四大优势：一是投资相对较低，研究成本并不巨大。

有机太阳能电池制造过程相对简化，降低了进入的台阶和投资风险。

二是有机太阳能电池对材料的依赖性大，有机材料价格较昂贵，而我国在有机材料的分子设计及材料合成
制备方面已经掌握的很多关键技术并不落后，且具有人工费用低的优势，可以自己提供有机半导体材料，这对我们进入该领域是一个巨大的优势。

三是作为一种全新的光电器件，有机太阳能电池凭借自己更加出众的性能将应用到军事、航空航天、民用、交通运输、无线电通讯等各个领域，具有巨大而广阔的市场前景。

尽早完成高效有机太阳能电池的研发已成为当务之急。

项目的思想及立论根据
（1）新材料PPV的合成及其光电性质的研究：
合成新型电子给体型共轭聚合物PPV，调控禁带宽度及吸收线宽与太阳光辐射匹配。

探索提高这类共轭聚合物载流子迁移率的途径。

通过分子设计调控电子受体相的LUMO以与给体型共轭聚合物的能级相匹配。

研究共混体系的形貌得到能各自形成网状连续相的体系，从而达到大幅提高器件的收集效率，使有机太阳能电池能够对可见光具有很好的吸收特性，即能吸收大部分或者全部的入射光，其吸收光谱能与太阳能光谱很好地匹配。

（2）器件结构的设计与研究：
研究给体与受体相的共混结构以优化填充因子；研究此类新型光诱导电荷转移体系的光物理过程，特别是研究和阐明激子的跃迁长度及载流子迁移率二者中哪一项对器件特性有制约性影响等基本理论问题；研究影响激发态寿命的主要因素。

（3）器件研制：
掌握制造PPV/TiO2有机太阳能电池的关键技术；研究其光电转换、封装及使用寿命等应用特性；探索该体系如何减小对入射光的损失问题；研究PPV与 TiO2表面紧密吸附问题，即能快速达到吸附平衡，且不易脱落，从而增强二氧化钛导带3d轨道和染料π轨道电子的耦合，使电子转移更为容易。

鉴于此，本项目最主要目标就是研制出高转换效率、低成本的薄膜有机太阳能电池。

目前影响有机太阳能电池的效率综合涉及到许多因素。

对于目前有机太阳能电池转换效率低的讨论可以从太阳光的输出开始。

由到达地球的太阳光能的光谱分布曲线（如AM0和AM1.5）可知，大多数光谱能量都在可见光范围，并且拖着一个长长的尾巴扩展到红外区。

要进行太阳能发电必须首先了解不同地区全年预计太阳能总量。

接下来要考虑用于太阳能电池的材料。

光谱曲线下部超出半
导体材料能带波长λg（即E ph<E g）的那部分，它所包含的入射光能因为不能被吸收而损失或浪费掉了。

另外，考察λ<λg的光子吸收过程，发现光子能量中仅有E g部分用来产生电子-空穴对，而光能中E ph>E g的部分增加到光生载流子的动能上，并且最终耗散为热能。

因而，只有选定具有最佳能带宽度，更宽光谱吸收范围的有机材料，可使能量转换效率达到最大值。

高分子聚合物材料由于具备许多优良的特性，如质轻、柔韧性、无毒、耐用等，而被用于制造电子元器件，这已引起世界各国广泛地关注和兴趣。

用p型共轭聚合物作为电活性成分制造的光电器件（photovoltaic device，PVD），聚合物可以起到吸收光和传输空穴的双重作用。

光照射时，束缚电子-空穴对（激子）由聚合物内部产生并向着活性界面附近扩散，在那里分离成自由电子和自由空穴。

因此本项目拟采用p型高分子共轭聚合物材料聚对苯乙炔（Polyphenylene-vinylene，PPV）作为光吸收剂和空穴传输剂，主要考虑到PPV对可见光区域良好的吸收性、相对较高的空穴传输能力及可溶解性，能够起到上述双重作用并且容易大面积成膜。

材料选取之后，设计和制作有机太阳能电池使能量损耗降至最小的另一个重要步骤。

首先注意到电池的顶部（光入射面）电极接触。

传统太阳能电池零宽度或只沿电池边分布的（指状）电极使光可以最大限度地穿透底层材料层，但若电极之间相距得越远，电流流过电池顶部区域所需路径就越长，串联电阻就越大，仅几欧姆的串联电阻就可能严重影响太阳能电池的效率。

而电极尺寸越小，金属化的好坏和接触电阻的影响就更为显著。

因此，必须选择适当的电极尺寸和间距可以在电池串联电阻与“阴影”（光受到电极阻挡不能照射到电池上而形成的暗区）之间获得最佳的折中。

而本项目采用导电薄膜ITO或SnO2作为窗口电极，它们性质稳定且具有优良的电导率和高光学透明度，又是一种良好的抗反射涂层，可减小光损失并有效避免暗区。

光在电池上表面的反射也是一个重要的能量损失因素，直接影响到有机太阳能电池的光电转换效率。

当光垂直入射时，裸露的平面会把照射到它表面上的相当一部分光反射掉。

为了将反射造成的损失降低到最小限度，可将太阳能的电池上表面制成“网络结构”，并且覆盖一层抗反射层。

如单晶硅太阳能电池，可以制成倒金字塔形的网织表面，这种结构迫使光在逃逸之前两次或多次照射硅表面从而降低光反射。

在一个平滑致密的半导体表面，单层染料分子仅能得到1％的
入射光。

一直以来有机材料不能有效地吸收入射光是造成有机太阳能电池光电转换效率低的一个重要原因。

本项申请制造纳米厚度的高比表面积的多孔TiO2膜来代替平整膜。

TiO2作为一个n型功能层被制成海绵状的多孔膜，可减小光反射的同时提高有机物在电极表面的吸附能力，由于有机物的激发态寿命很短，只有与电极紧密结合的染料才有可能将能量及时传递给电极。

将光敏聚合物PPV分子吸附在具有多孔、高比表面积的半导体TiO2膜上，被TiO2表面吸附的有机分子越多，光吸收效率越高，从而提高吸收太阳光的能力，并且由于PPV与TiO2层之间以及PPV层与表面空气之间都存在着折射率，可进一步降低光反射。

高分子聚合物PPV在光照条件下被激发，空穴进入PPV的最高被占据分子轨道（HOMO）并向TiO2的导带注入电子而产生光电流。

一旦光线进入到有机材料PPV之后，关注点将转移到如何最大限度地提高光的吸收上。

本项申请采用“光捕获”设计来增加长波长光子的吸收。

拟在器件底部制作良好的金属化欧姆接触电极层，有效地形成一个能把光再一次反射回体内的镜面，使得长波长的光不断地在电池的上下表面间来回反射。

本项目有机太阳能电池的设计和制造中还将最大限度地收集光生少数载流子。

要达到这一点，就必须使器件内部的载流子复合减小到最小限度。

只有紧密吸附在半导体表面的单层有机分子才能产生有效的光敏化效率，而多层有机层会阻碍电子的传输。

因此有机物的多层吸附是不可取的，只有P型PPV层非常靠近n型TiO2层，表面PPV分子才能把激发态的少数载流子（电子）顺利注入到TiO2导带中去，多层有机物质的存在反而会阻碍电子的输送，导致光电能量转换率下降。

故本项目采用单层PPV材料来制造PPV/TiO2-基结构的p-n型薄膜有机太阳能电池器件。

综上所述，只要认真解决上述诸方面的问题，取得5％的光电转换效率是可以实现的。

特色及创新之处：
本课题是在有机太阳能电池的物理研究在国内外均十分薄弱的背景下独立自主开展的研究，所用的材料、研究内容都有自己的独到之处: （1）独立合成并提纯新型的有机聚合物光敏材料PPV ；
（2）研究该材料的光电性能，并给予结构表征；
（3）探索形成多孔高比表面积的TiO2纳米晶层；
（4）制造新型的高效PPV/TiO2-基的有机太阳能电池芯片。

总之本项目创新之处是将材料研发与器件物理研究紧密结合，对异质结聚合物光电器件的组份通过分子设计来达到优化共轭聚合物与电子受体间的能级匹配及提高迁移率，并使二者在共混体系中形成微相分离的网络状结构，以提高收集效率从而达到提高聚合物光电池及光电传感器的能量转换效率的目的。

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