有机薄膜太阳能电池的研究进展
有机太阳能电池技术的发展
有机太阳能电池技术的发展近年来，有机太阳能电池作为一种新型太阳能电池技术，备受关注。
相比于传统的硅基太阳能电池，有机太阳能电池具有柔性、轻薄、透明、低成本等优点，这也为其在应用领域提供了更广泛的想象空间。
那么，有机太阳能电池技术的发展现状如何？未来的应用前景又是怎样的呢？本文将从几个方面进行阐述。
一、有机太阳能电池的概念及分类有机太阳能电池（Organic solar cells，OSC）是光电转换器件的一种。
它是利用有机高分子材料制作出来的太阳能电池，主要由有机半导体材料、电极等组成。
有机太阳能电池根据器件结构的不同，可以分为单层有机太阳能电池、双层有机太阳能电池、有机-无机复合太阳能电池等。
单层有机太阳能电池，顾名思义就是只有一层有机材料组成的，它的构造极为简单，无需复杂的制备工艺，可以通过印刷等简单的工艺制作。
但其效率较低，目前主要用于自供电器件以及建筑玻璃幕墙等需要透明材料的场合。
双层有机太阳能电池相比于单层有机太阳能电池，需要涉及复杂的制备工艺，但它能够充分利用光电效应来提高电池的转换效率，其效率也相对要高一些。
有机-无机复合太阳能电池常采用无机半导体材料与有机半导体材料进行复合制备，该种组合结构的太阳能电池具有更高的效率及稳定性，是未来有机太阳能电池的发展方向。
二、有机太阳能电池的发展历程有机太阳能电池最早的发现可以追溯到20世纪80年代初，但直到90年代到2000年，才出现了真正意义上的高效率有机太阳能电池器件。
其后，随着有机太阳能电池材料的不断升级，有机太阳能电池的效率不断提高，目前已达到了超过15%的高效率。
此外，近年来，灵活、透明、可半透明的有机太阳能电池也逐步成为研究热点。
有机太阳能电池可以灵活地制成不同形状的器件，还可以制成透明材料，应用范围更加广泛。
近期，研究人员还成功实现了可停泊充电的柔性有机太阳能电池。
三、有机太阳能电池的优势相比于传统的硅基太阳能电池，在某些方面，有机太阳能电池具有极大的优势。
有机太阳能电池研究现状与进展
０ 引 言
目前，新能源主要有太阳能、风 能、核 能 和 水 能 等，其 中， 太阳能是一种取 之 不 尽、用 之 不 竭 的 无 污 染 能 源，它 的 开 发 利用受到了特别的关注。目前用得最多的太阳能电池是硅 电池，它是依靠光物理效应的原理 发电。但 硅 电 池 对 材 料 的 纯度要求十分苛刻，加工工艺复杂，成本也 较 高，限 制 了 其 大 规模 应 用。１９９１ 年，Ｇｒｔｚｅｌ等［１］用 宽 带 隙 氧 化 物 半 导 体 ＴｉＯ２ 制备了具有高比表面积的纳米多孔薄膜，薄膜上吸附大 量光敏染料后，选 用Ｉ－／Ｉ３－ 作 氧 化 还 原 电 解 质，组 装 成 了 染 料敏化太阳能电池 （ＤＳＳＣ）。 其 生 产 工 艺 简 单，无 需 昂 贵 的 大型设备，所需的前期投 资 较 少，成 本 只 有 硅 电 池 的 １／１０～ １／５。ＤＳＳＣ 与硅电池的原理不同，它是通过光化学过程 实现 光电转化［２］，其最大的特点是光 吸 收 和 电 荷 分 离 传 输 分 别 由 不同的物质进行［３］：光吸收靠吸 附 在 纳 米 半 导 体 表 面 的 染 料 来完成，半导体起 电 荷 分 离 和 传 输 载 体 的 作 用。ＤＳＳＣ 的 最 大优势是电荷传输靠多数载流 子来实 现电荷 传 导，不 存 在 传 统 ｐ－ｎ结太阳能 电 池 中 少 数 载 流 子 和 电 荷 传 输 材 料 表 面 复 合等问题。另 外，ＤＳＳＣ 对 光 照 条 件 的 要 求 不 高，即 使 在 室 内，仍可进行光电 转 换，它 也 可 以 直 接 作 为 窗 户 玻 璃 或 者 以
有机太阳能电池研究现状与进展
２００７．ＮＯ．４．ＩＳＳＮ１６７２－９０６４ＣＮ３５－１２７２／ＴＫ作者简介：李甫（１９８５～），女，主要研究方向：无机非金属材料。
０引言１９５４年贝尔实验室Ｃｈａｐｉｎ．Ｄ．Ｍ等人［１］制作了光电转化效率达６％的太阳能电池，标志着商业化太阳能电池研究的开始。
到２０世纪７０年代，用于卫星的半导体硅太阳能的光电转化效率已达到１５％～２０％。
但硅系列太阳能电池材料纯度要求很高且制作工艺复杂，因此成本高，难以大规模生产。
其它类型半导体材料的太阳能电池因存在材料来源及工艺等问题也同样难以得到推广。
而有机太阳能电池以其材料来源广泛、制作成本低、耗能少、可弯曲、易于大规模生产等突出优势显示了其巨大开发潜力，成为近十几年来国内外各高校及科研单位研究的热点。
１９０６年和１９１３年Ｐｏｃｈｅｔｔｉｎｏ［２］和Ｖｏｌｍｅｒ分别报道了有机固态蒽晶体的光导效应，成为有机太阳能电池研究的标志性开端，并为以后的发展奠定了基础。
但自第１个有机太阳能电池问世以来，其转化效率一直不高，至今其最高转化效率也只有１０％左右，与无机太阳能电池相比仍有很大差距。
有机太阳能电池低的光电转换效率限制了其市场化进展，因此提高有机太阳能电池的光电转化效率成为研究的重点。
近年来，国内外为提高有机太阳能电池的光电转化效率从材料的选择、工艺技术的改进、电池结构的设计等方面做了大量工作，虽有所提高但无论从理论研究还是实际应用仍未有重大突破，因此需要不断开发新材料、改进生产工艺、提高生产技术。
有机太阳能电池的分类方法较多，按照有机半导体层材料的差别，可分为３类：单质结结构有机太阳能电池、ｐ－ｎ异质结结构有机太阳能电池、ｐ－ｎ本体异质结结构有机太阳能电池。
近十几年来，研究较多的还有染料敏化纳米晶太阳能电池。
１单质结结构有机太阳能电池单质结有机太阳能电池是研究最早的有机太阳能电池。
其电池结构为：玻璃／金属电极／染料／金属电极，即为２种功函不同的电极之间为一单一的有机半导体层。
薄膜太阳能电池的研究及应用
薄膜太阳能电池的研究及应用薄膜太阳能电池是应用广泛的一种太阳能技术，在太阳能发电领域中扮演重要的角色。
如今，在探寻清洁能源的道路上，人们越来越依赖于太阳能发电，薄膜太阳能电池也被认为是一个不错的选择。
一、薄膜太阳能电池的发展历史薄膜太阳能电池最早的研究可以追溯到上世纪50年代末期。
当时美国贝尔实验室发现，硫化镉薄膜对太阳光具有吸收和转化的作用。
进入70年代以后，太阳能技术逐渐得到普及，薄膜太阳能电池因其体积小、重量轻、柔性较强等优势越来越受到人们的关注。
二、薄膜太阳能电池的特点和优势薄膜太阳能电池是一种光电转换器件，与厚薄片太阳能电池相比，其主要优势在于：1、轻薄柔性：薄膜太阳能电池采用薄膜太阳能电池基底，柔性好，可以应用于机器人、电子标签、可穿戴设备等电子产品领域，也可以应用到建筑物的窗户或外墙上。
2、高效：薄膜太阳能电池可以将太阳能转化为电能，具有高效能转换的特点。
目前市面上的薄膜太阳能电池转换效率达到了10%以上。
3、成本低：由于薄膜太阳能电池具有材料低成本、制造过程简单等特点，制造成本比厚薄片太阳能电池更加优势。
三、薄膜太阳能电池的分类按材料分类，薄膜太阳能电池通常分为以下几类：1、薄膜硅（a-Si）太阳能电池：a-Si 是一种非晶硅材料，采用PECVD等技术在薄膜太阳能电池基底上进行压电转换来将太阳光转化为电能。
2、铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池：CIGS 太阳能电池是一种沙莓氏结构的太阳能电池，它的薄膜基底通常是玻璃或不锈钢。
CIGS 太阳能电池的效率高，稳定性好，但是制造工艺相对较为复杂。
3、有机薄膜太阳能电池：有机太阳能电池以有机半导体材料为基础，常见的有机材料有聚合物、酞菁类化合物等。
四、薄膜太阳能电池的应用前景随着全球清洁能源政策和市场的逐渐发展，薄膜太阳能电池在设备制造、能源存储、封装材料、航空航天、汽车行业等领域都有广泛的应用前景。
例如，在建筑领域中，薄膜太阳能电池可用于建筑材料和各种透明材料，如窗户、隔热材料等，以及在大型建筑物如桥梁、道路等地方进行公共区域照明和提供城市光源等多项应用。
薄膜太阳能电池硅衬底陷光结构的研究进展
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了近 年 来硅 衬 底 陷光 结构 的 研 究进 展 ， 分析 了陷光 结
硅衬 底制 备织 构能 将入 射 到硅表 面 的太 阳光 反射 率 降
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了进一 步提高 太 阳电 池 的光 电转 换 效 率 ， 大 利 亚 和 澳 美 国分别 提 出 了第 三代 太 阳能 电池 的 概 念 ， 通 过 研 即 究太 阳能 电池 的效率 极 限和 能 量 损失 机理 ， 把一 些 新 型 电池结 构引 入薄膜 太 阳能 电池 的结构 设 计 中 。第 三 代太 阳能 电池 主 要有 叠 层 太 阳能 电池 、 载 流子 太 阳 热 能 电池和 量子 点 太 阳 能 电 池等 。藉 此 ， 纳米 材 料 和 纳 米结 构 由于其独 特 的物理 特性 被 引入太 阳 能 电池 的研 究 ， 速 引起 了各 国科 研工 作者 的广 泛关 注［ 。 迅 １ ］ 减少 电池受 光面 上入 射 阳光 的反射 是 提高 太 阳能
ｗｅ — ｔ ｈ ｎｇ ｓｎｇ ｅ ｃ ｙｓ ａ ｌｎ ｉｉｏ ｔｅ ｃ ｉ ｉ ｌ — ｒ ｔ ｌｉ ｅ ｓｌｃ ｎ［］
在 宽波段 范 围 内降低硅 片 表面反 射 率是 提 高太 阳 能 电池 的有 效手 段 ， 刻 技 术 ／ 光 电子 束 刻蚀 ［ 、 应 ７ 叫 反 离子 刻蚀 Ｌ 】Ｒ Ｅ） １ （ Ｉ 和机 械刻槽 等技 术 通过 在 硅 片表 面 １ 制备 亚微米 级 浮栅 使之 成为 可能 。这 几种 方 法可 以在 宽波 段范 围 内 将 入 射 光 的 大 角 度 反 射 率 降低 到 １ Ｏ 以下 ， 在特 定 波段 甚 至 降 低 到 １ 以 下ｌ 。 由此 展 开 ９ ］ 的相关 模拟 研究 均 同实验 结果 吻合 较 好 。严格 的光 波 耦 合分 析＿ １ 表明， 在硅 片 表面 制备 特 定形 状 的周期 性 规则 亚微 米级 浮栅 不但 可 以增加 太 阳光 在硅 片 内 部
CIGS薄膜太阳能电池研究报告
生成CIGS薄膜的电化学反应过程为：
Mn++ne-→M
H2SeO3+4H++4e-→Se+3H2O xM+ySe→MxSey
式中：M是金属Cu、In和Ga；x、y是院子或离子 数；n是电子书或价数。
电沉积在原理上比较简单，但在电化学方而 变得很复杂，因为除了沉积出三元（四元）的 CIS（CIGS）外，还有可能沉积出单一元素或者 其他二元素相。Guillen等用XRD和选择化学刻蚀 的方法确定CuSex和InSex化合物是前驱薄膜的主 要杂相。一般采用电沉积法制备CIGS薄膜，要与 蒸发法或溅射法结合起来调整元素配比，才能 得到高质量的薄膜。
在性硒且化容过 易程 挥中 发， ，H需2S要e是高最压好容的器硒储源存，。但固H态2SSee的作最为大硒缺源点，是Se其压具难有以毒控 制，在热处理过程中会导致In、Ga等元素的损失，在大规模生产中 有很多问题，但是无毒。
为了避免传统硒化工艺上长时间的热处理造成Cu、In损失及不必要 的扩散或氧化，快速热处理工艺（rapid thermal processing, RTP）己 被广泛应用于CIGS薄膜制备过程。利用卤钨灯作为加热室内部安装自行设计加工的Cu、In、Ga 和Se独立蒸发源、衬底支架和衬底加热器。蒸发源 由陶瓷圆柱型增锅、缠绕在增锅外的Mo丝加热器 以及增锅底部的热电偶组成，采用PID自动温度控 制仪控温.。Cu，In和Ga源成品字形排列，均倾斜一 个微小的角度，将蒸发口对准衬底中心，衬底距离
蒸发源280mm。硒蒸发源安装的位置高于Cu、In和 Ga蒸发源。在蒸发过程中，硒源的蒸发温度较低、 蒸发速率较大，容易受其他蒸发源及衬底加热器的
CIGS太阳电池结构
典型的CIGS薄膜太阳电池的结构，其主要 有：基底（玻璃，柔性衬底）、背电极Mo （0.5~1.5um）、吸收层CIGS（1.5~2um）、缓 冲层CdS（0.03~0.05um）、透明导电层i-ZnO （0.05~0.09um）和n-ZnO:Al（0.35~0.50um）、 上电极Ni/Al（0.05~3.00um）、减反层MgF2 （0.1um)。
有机太阳能电池技术的现状与未来发展
有机太阳能电池技术的现状与未来发展太阳能是最为常见的可再生能源之一，但是常规太阳能电池的生产成本较高，效率也不高，因此有机太阳能电池技术的出现便是一个重要的突破。
有机太阳能电池是一种新型的可再生能源，具有较低的成本、可塑性、透明性、轻量化等优势，目前已经成为了许多科学研究的关注焦点。
一、有机太阳能电池技术的现状有机太阳能电池是将有机分子进行修饰后形成的薄膜材料，分为多种类型例如聚合物太阳能电池、小分子太阳能电池以及染料敏化太阳能电池等。
这些材料可塑、轻便，可以用于制造含有曲面和可弯曲构件的新型设备，以及建筑设计。
此外，有机太阳能电池还可以在室内或室外环境中产生电能，无需额外的电力供应。
聚合物太阳能电池（PSC）是目前研究的重点之一。
它通过构建由聚合物链组成的纳米结构，使电子和空穴能够分离并形成电流。
这种材料光谱范围广，制备简单，可连续制备大面积的器件，适合商业应用。
PSC充分利用了聚合物链的分子链距离、宽深，可以实现光谱范围开发与电子传输的优化。
此外，小分子太阳能电池（SMC）也是一种有机太阳能电池。
与PSC不同的是，SMC是由小分子组成的材料，具有易扩散和高迁移率的特点，其光谱范围有限，适用于特定的应用场景。
SMC的发展空间也在逐步被发掘着。
染料敏化太阳能电池（DSSC）利用了染料吸收光的原理，在锗或氧化锌中生成光生电荷，实现电能转换，它目前最为成熟的应用领域是薄膜太阳能电池板。
DSSC具有美感、透明度高、制作工艺简单等特点，对建筑材料应用非常有前景。
二、未来有机太阳能电池技术的发展有机太阳能电池具有广阔的发展前景。
目前，为了提高材料的光吸收效率和光电转换效率，研究人员正在开发新的有机分子结构及其组合方式。
聚合物及小分子太阳能电池的发展路线是改进电子迁移行为、增强稳定性和制备高效量子点共生材料。
同时，跨出单一有机太阳电池的局限性，实现多元化的应用场景和集成、节能需求。
例如，利用有机太阳能电池制造的柔性屏幕、太阳能电池板等逐渐诞生。
2023年薄膜太阳电池行业市场发展现状
2023年薄膜太阳电池行业市场发展现状近年来，随着环保意识的普及和能源消耗量的快速增长，全球对可再生能源的需求逐渐增加。
作为其中一种可再生能源，太阳能发电技术备受关注，并在全球范围内得到快速发展。
而薄膜太阳电池，作为太阳能电池的一种重要类型，其市场前景也越来越广阔。
一、市场情况1. 全球市场据市场调研机构Grand View Research统计，全球薄膜太阳电池市场规模将在未来五年内以8.5%的年复合增长率增长，到2025年将达到87.8亿美元。
而且，随着技术不断进步和成本下降，市场需求将会继续增长。
2. 中国市场目前，中国是全球太阳能电池制造业最大的生产国，而作为其中的一部分，薄膜太阳电池市场也在不断扩大。
根据CW Research的数据，2017年中国薄膜太阳电池市场占比已达全球的36.9%。
而且，随着国家政策的不断加强，中国薄膜太阳电池市场的规模将会继续增加。
如2019年新能源汽车补贴退坡政策，针对在微型电动汽车领域具有对新能源电池生产厂家认证、商业化生产能力的企业，将给予一定量的薄膜太阳电池补贴。
二、技术进步1. 高效率相对于传统多晶硅太阳电池，目前市场上的薄膜太阳电池更具有灵活性、轻薄、易于安装等优势。
而且，随着技术的发展，薄膜太阳电池的能量转化效率也在逐渐提高。
如目前市场上的柔性有机太阳能电池，其能量转化效率已经达到了12.6%。
2. 薄膜材料同时，因为薄膜太阳电池所使用的薄膜材料的成本和能耗都比传统多晶硅太阳电池低，所以薄膜太阳电池也更具有竞争力。
目前市场上主流的薄膜材料主要有铜铟镓硫（CIGS）、钙钛矿、有机物料等。
三、市场前景1.行业整合由于供应商的增加和价格竞争，薄膜太阳电池的竞争很激烈。
在这种竞争环境下，行业整合成为了行业发展的一种必然趋势。
如2019年某国际公司收购了某薄膜太阳电池生产商，进一步加强了其在该领域的市场地位。
2. 政策支持目前，全球越来越多的政府开始采取措施，推动可再生能源的发展。
有机太阳能电池的研究现状和应用前景
有机太阳能电池的研究现状和应用前景有机太阳能电池是一种新型的太阳能电池。
相较于传统的硅基太阳能电池，有机太阳能电池具有更低的成本和更好的可塑性，可以在各种形状和物品上应用。
目前，有机太阳能电池正在得到越来越多的研究和应用。
一、有机太阳能电池的研究现状有机太阳能电池利用有机半导体材料的光电效应将太阳能转化为电能。
与硅基太阳能电池相比，有机太阳能电池具有成本低、轻薄柔韧、生产工艺简单等特点。
在过去的几十年中，研究人员一直在探索有机太阳能电池的性能和制造方法，我们对有机太阳能电池的认识越来越深入。
有机太阳能电池最初的研究始于20世纪80年代，当时研究者发现染料敏化太阳能电池可以使用有机分子代替原始的染料。
之后，有机太阳能电池就逐渐引起了人们的广泛关注。
然而，直到21世纪初，有机太阳能电池的效率才有了较大的提高。
现在，科学家们已经开发出了许多种类、结构和形状的有机太阳能电池。
其中，非富勒烯有机太阳能电池是目前最具潜力的一种。
2014年以前，有机太阳能电池的最高转换效率一直停留在10%以下，但是随着非富勒烯有机太阳能电池的出现，转换效率得到了重大提高，从而使得有机太阳能电池更加实用。
二、有机太阳能电池的应用前景有机太阳能电池的应用前景非常广阔。
由于其成本低，所以它可以广泛应用于各种领域。
目前，有机太阳能电池已经在众多领域有了应用。
1.智能建筑有机太阳能电池可以嵌入到玻璃、塑料和纸张等材料中，从而用于智能建筑中。
有机太阳能电池不仅可以为智能建筑提供电能，还可以在墙壁、窗户和屋顶上实现光伏发电，并可以与智能家居系统进行连接。
2.便携式电子设备有机太阳能电池适用于便携式电子设备，例如智能手机、笔记本电脑和平板电脑等。
相较于传统的锂电池，有机太阳能电池成本更低，并且可以更加灵活，因此它在便携式电子设备上应用的前景非常广阔。
3.户外运动器材有机太阳能电池也可以用于户外运动器材，例如智能手表、智能眼镜和智能手环等。
这些电子产品由于长时间使用，其电池寿命较短，而有机太阳能电池可以在户外充电，从而更加实用。
薄膜太阳能电池技术在新能源领域的前景展望
薄膜太阳能电池技术在新能源领域的前景展望近年来，随着对环境保护和可再生能源的重视，薄膜太阳能电池技术在新能源领域的前景变得越来越受关注。
薄膜太阳能电池作为一种新型能源技术，具有高效率、轻薄柔性和可降低生产成本等优势，被认为是未来新能源发展的方向。
薄膜太阳能电池技术主要使用一种特殊的材料来将光能转化为电能。
与传统的硅太阳能电池相比，薄膜太阳能电池不需要厚重的硅材料，而是使用了更为轻薄的材料，如铜铟镓硒（CIGS）、铜铟镓锌硫（CIGS）或钙钛矿等。
这些材料不仅具有良好的光吸收能力，还具有更高的光电转换效率，能够将太阳能转化为电能的效率提高到一个新的水平。
首先，薄膜太阳能电池技术具有高效率的特点。
相较于传统的硅太阳能电池，在相同的太阳辐射下，薄膜太阳能电池能够将更多的光能转化为电能，大大提高了光电转换效率。
例如，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经突破了20%，甚至达到了23%左右。
这使得薄膜太阳能电池在同等条件下能够产生更多的电能，为新能源的发展提供了更强大的支持。
其次，薄膜太阳能电池技术具有轻薄柔性的特点。
传统的硅太阳能电池通常需要较厚的硅基材料来支撑电池结构，从而导致电池呈现出较大的厚度和刚性。
而薄膜太阳能电池可以使用柔性的基材，如聚合物材料或金属箔，使得电池具有很强的柔性和可弯曲性。
这使得薄膜太阳能电池可以应用于更多场景，例如在建筑材料上直接融合或嵌入，以及应用于柔性电子产品等领域。
同时，薄膜太阳能电池的轻薄性还有助于减少制造成本，并简化安装和维护过程。
此外，薄膜太阳能电池技术具有降低生产成本的优势。
传统的硅太阳能电池的制造过程相对复杂，需要较高的温度和真空条件下的制备工艺，导致制造成本较高。
而薄膜太阳能电池的制造过程较为简单，制备工艺也相对容易上手。
此外，薄膜太阳能电池使用的材料成本较低，而且材料利用率也更高，减少了资源的浪费。
因此，薄膜太阳能电池具有较低的制造成本，有助于提高新能源技术的市场竞争力。
薄膜太阳能电池光电转换材料研究进展
收稿日期：2009－12－07基金项目：国防科技大学校预研项目（JC08－01－06）作者简介：郑春满，1976年出生，博士，副教授．主要从事能源材料研究。
E －mail ：zhengchunman@sohu．com 薄膜太阳能电池光电转换材料研究进展郑春满郭宇杰谢凯韦永滔（国防科技大学航天与材料工程学院，长沙410073）文摘在对太阳能电池基本原理进行介绍的基础上，综述了近年来光电转换材料的发展情况，重点对各种材料的优缺点、制备方法以及未来的发展趋势进行探讨。
关键词太阳能电池，薄膜，光电转换材料，转换效率Recent Progress in Developing Photoelectric ConversationMaterials for Thin-Film Solar CellsZheng ChunmanGuo YujieXie KaiWei Yongtao（Department of Material Engineering and Applied Chemistry ，School of Aerospace ＆Materials Engineering ，National University of Defense Technology ，Changsha 410073）Abstract The photoelectric conversation materials are the key part ，which decides the conversation efficiency ofthe thin-film solar cells．The photoelectric conversation materials that can be used in the thin film solar cells mainly include inorganic semiconductor materials and organic materials．In the present paper ，the basic principle of thin film solar cells is introduced and the development of the two materials is reviewed．The advantage and disadvantage ，the preparation methods and the future trends of every material are discussed．Key words Solar cells ，Thin-film ，Photoelectric conversation materials ，Conversation efficiency1引言太阳能电池作为解决人类所面临的能源与环境问题的最佳选择，具有来源广泛、使用方便、无污染等优点，在航空、航天、通讯及微功耗电子产品等领域具有广阔的应用前景［1］，因而逐渐成为研究的重点方向和主流［2－3］。
有机太阳能电池的研究进展
有机太阳能电池的研究进展张剑锋1,2,Z HOU H ua 2xi ng 1,YOU W ei1(1.Depart m ent of Che m istry ,Un i versity of North Caroli na at Chape lH il,l Chape lH il,l Nort h C aroli na 27599,USA ;2.宁波大学材料科学与化学工程学院,浙江宁波 315211)摘 要:回顾了近五年有机太阳能电池在电池材料和器件性能方面的研究进展.在材料方面,合成具有低带隙的化合物,使之与太阳光谱有更好的匹配,以提高对太阳光的吸收范围;在器件方面,通过使用异质结和纳米结构,使之在增加光吸收的同时保证激子的分离与有效迁移.有机聚合物太阳能电池是有机太阳能电池的发展方向,设计并合成具有低带宽和低HO MO 能级的D-A 型聚合物是提高其理论光能转化效率的关键.通过改进与提高电池的制作技术,充分挖掘新材料的潜力,将获得较大光能转换效率的有机太阳能电池.关键词:太阳能电池;光伏电池;聚合物中图分类号:T M 914.4 文献标识码:A 文章编号:1673-162X(2009)04-0001-07充分利用太阳能是解决能源危机的重要途径之一,因此太阳能电池的研发一直备受关注.在目前商品化的太阳能电池市场中,无机晶体硅太阳能电池占据主导地位.但是由于晶体硅的制造成本高、加工工艺复杂等问题,[1]此种太阳能电池难以实现大规模普及化应用.与无机半导体相比,有机半导体具有制造成本低和良好柔韧性的优点;并且有机物太阳能电池制备工艺简单,具有制造面积大、廉价、简易、柔性等优点,因此有机太阳能电池已经成为太阳能电池新发展的方向.有机太阳能电池在吸收太阳光后会产生束缚的空穴-电子对)))/激子0,因此又称作为有机激子太阳能电池.激子在异质结界面上发生分离后才能产生大量自由的电荷载体,它们扩散至电极后产生光电流.从广义的角度来说,凡是涉及有机化合物的太阳能电池都可以称之为有机太阳能电池.例如,染料敏化太阳能电池、有机小分子异质结电池、有机聚合物太阳能电池、有机-无机杂化太阳能电池.但是实际上这些激子太阳能电池的激子分离和电荷传输的机理与途径具有很大的不同,有机化合物在电池中的作用也有很大差别.只有有机小分子太阳能电池和有机聚合物太阳能电池,完全依靠有机化合物进行激子分离与电荷传递,因此我们称之为纯有机太阳能电池,也是目前发展最快的有机太阳能电池.值得指出的是,染料敏化太阳能电池(又称Gratzel 型电池)是非常值得关注的一类激子太阳能电池.此类太阳能电池研究的最早也最为成熟,目前的光能转化效率最高可达11%{G ratz e,l 2000#228;O p R egan ,1991#275;O p R egan,1990#277;N az eer uddin ,1993#271},[2]体现了良好的应用前景.寻求具有更高电荷分离效率和稳定性的有机染料分子,解决液态电解质的泄漏和变性问题是实现工业化的关键.基于有机小分子和有机聚合物的纯有机太阳能电池,光能转化效率相对较低.但随着近几年有机合成技术、纳米与表面技术发展以及体异质结[3,4]电池设计技术的改进,其光能转化效率也在不断提升,目前最高已达6.5%,体现了良好的发展势态.本文拟对纯有机太阳能电池的研究进展作一介绍.1 有机小分子太阳能电池对于有机太阳能电池来说,其共同的特点就是界面对于激子的产生和分离起着至关重要的作用.激子依靠电场和化学势梯度得以分离,同时依靠界面电场来降低电荷的重新结合速率,因此,界面性质在激子太阳能电池中起到至关重要的作用.界面性质影响激子的扩散距离及其在界面的分离.通常认为纳米结构界面将有助于提高激子分离的效率.最初的有机小分子太阳能电池,由两个不同功函数的电极夹着一层有机小分子材料构成[5].由于有收稿日期:2009-05-05 修回日期:2009-09-09作者简介:张剑锋(1968)),男,湖南邵阳人,宁波大学材料科学与化学工程学院副教授,博士,University of North Ca rolina at Chape lH ill 化学系访问学者,出访得到王宽诚幸福基金的资助.(自然科学版)Journa l ofH e feiUn i vers it y(Natura l Sc iences) 2009年11月 第19卷第4期 Nov .2009Vo.l 19No .4机材料的层厚度受到了限制,因此这种电池的光能转化效率非常低[6].为了提高光能转化效率,Tang 开创性地利用了两种性质不同的有机小分子给体(D)和受体(A ),构造出D /A 双层异质结薄膜结构,得到了1%的光能转化效率[7].此种D /A 双层异质结薄膜结构利用给体和受体的能级差别来克服激子的结合能,最大限度地把激子分离成自由电子和空穴,从而大幅度提高了光能转化效率.有机材料中激子迁移距离通常只有5~10nm ,因此薄膜(小于50nm)有利于激子迁移到D /A 界面.但是另一方面,大多数有机材料的吸收系数(A )只有105c m -1,需要增加膜厚(大于200n m )来最大程度地吸收光能.因此为了寻求最佳的光能转化效率,必须找到一个最佳的层厚度[4,8,9].有机小分子太阳能电池所使用的有机物主要有酞菁、二萘嵌苯和C 60等,图1给出几种典型材料的分子结构.图1 几种典型的有机小分子太阳能电池材料许多研究小组在探寻不同的方法来解决激子迁移距离过小的问题,常用的方法是选用特定的材料并采用高真空蒸膜来形成双层甚至多层的异质结薄层结构.如上所述,异质结结构可促进激子的迁移,减少电荷的重新结合,在增加光吸收的同时保证激子的有效迁移[10-12].另一种方法是通过使用高表面积的体相异质结来获得相互缠绕的薄层[8].由于体相异质结有非常高的给体、受体表面积,给体与受体在整个光吸收层均匀混合,激子在有效迁移距离内就能够找到D /A 界面从而有效分离.此种方法的优点是在获得较短的激子到界面的迁移距离同时可以增加有效膜厚来吸收更多的光能.Forrest 研究小组通过有机气相沉积法,控制CuPc 和PTCBI 在I T O 电极上的生长位置和生长方向,得到了水晶状的体异质结,最大程度地增大给体与受体的接触面积,因此光能转换效率得到了较大的提高[13].此外,具有纳米晶结构的材料表面有利于电子的迁移,在D /A 界面上的纳米簇结构和纳米粒子技术都有助于提高光能转化效率.对于有机小分子太阳能电池而言,优点是有机小分子容易纯化,易于形成无定形或多晶的薄膜,并可制成多层异质结结构;其缺点是有机小分子的稳定性非常有限,如何保持电池材料的热力学稳定性有待解决.目前有机小分子太阳能电池的最高效率可以达到5.7%.[8-10,14-16]2 有机聚合物太阳能电池有机聚合物太阳能电池以重量轻、可溶液成膜以及可弯曲的性质,得到了广泛的关注[17-20],特别是近两年的发展速度非常快.虽然目前的光能转化效率尚在5%~6%,但是当其光能转化效率达到8%以上时,即可体现出它的优势,实现大规模的工业化生产和使用.有机聚合物太阳能电池材料通常由正负电极及其具有光活性的薄层所组成.光活性薄层是由给体和受体组成的体异质结结构.目前使用的受体材料主要有CdSe [21]、n -型聚合物[22]和C 60及其衍生物PCB M ,以PCB M 使用的最多(该类异质结太阳能电池的结构见图2).PCB M 型太阳能电池的正负电极分别为铟锡氧化物(I T O )和具有较低功函数的金属.位于两个电极之间的涂层由共轭聚合物与PCB M 混合2合肥学院学报(自然科学版)第19卷图2 体异质结(BH J )有机聚合物太阳能电池示意图[23]而成.当光透过透明的I T O 照射到共轭聚合物分子上时,如果光能大于聚合物的带隙时就会激发出激子,激子向D /A 界面移动,由于D /A能级差别大于激子的结合能,导致激子在界面上分离,电子会转移到受体PCB M 的LU MO 轨道上,同时空穴会仍然停留在共轭聚合物的HO MO 轨道上.然后电子就会通过PCB M 传递到负极,而空穴会通过共轭聚合物传递到正极IT O 从而产生光电流和光电压.由于光吸收主要是由给体材料承担,因此它的性质是决定聚合物太阳能电池性能的主要因素.给体材料一般具有较低的带隙(E g )和较低的HO MO 能级,前者可以最大限度地吸收光子产生激子保证有较大的光电流,后者可以使激子分离后保持较大的电压.P3HT 是被研究的最为彻底的给体材料,经器件优化后其光能转化效率最大可达5%[18,24].除P3HT 外,其他一些具有较宽吸收光谱带的聚合物同样可以用作给体材料,如:MD MO -PPV 、聚噻吩类似物等[25,26].太阳光谱的最大光强在700nm 左右,由此计算出聚合物的带隙应该在1.74e V[27],为了获得这种低带隙聚合物,目前最成功的方法是通过D /A 共聚[28-37],即:通过具有高H O MO 的给体与低L U MO 的受体的共聚,形成D /A 型结构,由给体在分子内部向受体部分转移电子,从而降低带隙,使其吸收谱带和太阳光谱具有更好的匹配,以提高光能转化效率.目前一些较好的低带隙聚合物性能及其结构分别见表1、图3.表1 一些低带隙聚合物材料的性能Pol y m erHO MO /e V L UMO /eV E g(opt)/eV V oc /mA J sc /mA FF G /%R e.f (1)-5.80-3.51.036.30.432.8[38,69](2)-5.5-3.61.880.896.920.633.6[28,40](3)-5.391.820.909.50.5075.4[33](4)-5.3-3.571.400.79110.472.83.2(C70)[29,30](5)-5.43-3.661.700.800.806.210.10.510.532.54.3(C70)[41](6)-5.1-3.41.7(fil m )0.660.619.411.30.470.582.94.0(C70)[42](7)-5.05-3.271.450.6812.70.555.1(C70)[43](8)-4.90-3.201.62(fil m )0.580.5612.515.00.6540.6334.765.30(C70)[44](9)-5.37-3.141.850.8215.40.394.9[34] 综合分析给体化合物的结构,可以发现这样的一个规律:含有噻吩环的聚合物虽然具有较高的J S C ,但V OC 较低,含有苯环的聚合物则正好相反,J S C 较低但V OC 较高,这可能是由于噻吩环与苯环相比,前者具有更好的供电子性,使得整个分子的HO MO 能级升高,造成较低的V OC ,而由于空穴流动性的提高,增大了J S C .因此,从设计聚合物的角度来看,理想的聚合物应该是具有D /A 结构、低带隙和低HO MO [45].量子化学计算等理论化学手段可以为设计理想聚合物分子提供理论指导.为了提高有机聚合物太阳能电池的太阳光谱利用率和空穴迁移率,人们尝试了各种方法,如:通过在共轭聚合物主链上加入共轭支链从而扩大聚合物吸收范围[26,46-48];通过用共轭分子将聚合物主链交联提高空穴迁移率[25,49,50],利用各种不同的给体单体和受体单体的共聚得到低带隙的聚合物从而使吸收谱带红移,更好的与太阳光谱匹配[27,29-36],以及通过改善其共混的纳米结构提升迁移率和电池性能.决定有机聚合物太阳能电池性能的因素包括:光子的吸收与激发、电荷的运输、给体和受体组成的体异质结的形貌(是否具有均匀且连续的纳米结构)、电极与器件的结构.有机聚合物容易成膜,而且通过选3第4期张剑锋,等:有机太阳能电池的研究进展图3 一些低带隙聚合物材料的结构用不同的溶剂和控制溶剂挥发的时间可以控制聚合物材料的形貌,但在设计聚合物分子时,需要考虑解决聚合物材料的溶解性与性能之间的矛盾.增长侧链能增大溶解性(从而提高成膜性),但会影响共轭价键的共平面而影响其光电性能.电子在激子分裂成电子和空穴之后50飞秒(1飞秒=1@10-15秒)之内发生转移才是有效的,否则电子与空穴容易再次结合,异质结结构可减少聚合物分子在激发之后的振动或摇摆,例如,MD MO -PPV /PCB M 异质结电池的电子从激发到转移的时间为45飞秒,而纯MD MO -PPV 膜层则由于分子在产生激子后因振动而产生连续的激发,使电荷转移的时间增长[51].除通过选择适当的溶剂、溶剂挥发时间外,构建和控制电池材料的表面纳米形态的方法还有:高分子的自组装[52,53],盘状液晶的自组装和通过离子静电作用得到的单分子层[54],纳米尺寸的高分子球[55],有机/无机杂化系统[56-59].此外,在有机聚合物太阳能电池中还需要关注激子在界面的分离以及电荷在与金属接触处的传递.为了改善太阳能电池中接触的界面性能,在金属和有机材料界面通过加入各种缓冲层来调整接触功函,增加电池的内在电压,从而阻碍激子在金属和有机界面上的分离.例如,在A l 电极中添加L i F 层能降低A l 电极的功函,由于Li F 的定向排列或与界面的化学反应导致在结合部产生偶极,从而改善电极的性能[60].图4 给体的能带间隙、LU M O 能级与光能转化效率的等高图图4是基于PCB M 为受体和有机聚合物为给体的太阳能电池的给体能带间隙、L U MO 能级与光能转化效率的等高图.为了达到理想的光能利用效率,作为空穴导体的理想化的低带隙聚合物的HO MO 和L UMO 应该分别达到-5.7e V 和-4.0e V.从图4以看出,只要能够设计并合成出具有低E g 和HO MO 能级的聚合物,聚合物太阳能电池的转化效率达到10%应该是可以实现的.目前有机聚合物太阳能电池的转化效率最高为5%~6%,尚有很大的发展空间.4合肥学院学报(自然科学版)第19卷图4中的两条直线分别表示HO MO 为-5.7e V 和-4.8e V .[27]3 结束语有机太阳能电池涉及理论化学、合成化学、材料科学、物理学、电子学、化学工程等多个学科.为了进一步提高有机太阳能电池的转化效率,要重点设计与合成具有低带宽和低HO MO 能级的聚合物分子,通过纳米技术使聚合物材料具有较好的成型形貌,提高电子和空穴的流动性,通过形成异质结结构得到较厚的膜,在促进电荷转移的同时保证良好的填充因子.参考文献:[1] A lsema E A .Energy P ay 2back T i m e and CO 2Em i ssi ons of PV Syste m s[J].Progress in Photovoltaics ,2000,8(1):17225.[2] G ra tze lM.P erspec ti 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aroli na 27599,USA ;2.Faculty ofM ater i a l Sc ience and Chem ical Engi neeri ng ,N ingbo Un i versity ,N ingbo ,Zhe ji ang 315211,Ch i na)Abstr ac t :The recent development on organic photovolta ic materials and re lated properties was revie wed.Bul k heterojuncti o n of donor and acceptorma terials with phase separation at nano meter sca le can dra m atica lly i n crease the efficiency via t h e i m prove ment on excitons p dif f usi o n and separation ,and the charge transpor.t N e w pol y m ers w ith lo w band gap so as to better match the solar spectru m can enhance the light absorption .I n or der to f urther i m prove the effic iency of bu l k heterojuncti o n solar cells based on poly mer :PCB M b lend ,the ideal poly mer should bear lo w band gap and lo w HO MOlevel si m u ltaneously ,thereby collaborative l y increase t h e short circuit curren t and t h e open c ircu it voltage .K ey word s :or gan ic solar cel;l photovoltaic ce l;l poly mer 7第4期张剑锋,等:有机太阳能电池的研究进展。
有机太阳能电池研究现状与进展
有机太阳能电池研究现状与进展
有机太阳能电池是一种可以将太阳能转化为电能的光电转换器件，相比于传统的硅基太阳能电池，有机太阳能电池具有成本低、可塑性好、轻量化等优点，因此备受关注。
以下介绍有机太阳能电池的研究现状与进展：
1. 效率提高：过去十年来，有机太阳能电池的功率转换效率不断提高，目前已经达到了17%左右，接近商业化水平。
2. 新材料的发展：研究者在寻找更优秀的有机材料方面进行了大量尝试，包括聚合物、小分子有机化合物和混合材料等，以提高有机太阳能电池的效率、稳定性和可持续性。
3. 有机太阳能电池的稳定性：为了解决有机太阳能电池的稳定性问题，研究者设计了新型材料和界面，探究了各种稳定剂和先进封装技术。
4. 柔性有机太阳能电池：在光电转换效率较高的情况下，有机太阳能电池适合制作柔性器件，形态可塑性好，可以应用于更广泛的领域。
目前柔性有机太阳能电池的商业化应用仍处于起步阶段，但未来充满潜力。
总的来说，有机太阳能电池的研究不断取得进展，但与传统硅基太阳能电池相比仍面临诸多挑战，例如效率、稳定性和成本等。
未来需要进一步探究新材料和工艺，提高有机太阳能电池的性能和可应用性。
有机薄膜太阳能电池关键技术研究
有机薄膜太阳能电池关键技术研究人类进入21世纪，能源问题非常严重。
传统化石能源储量正在逐渐减少，面临枯竭，并且其燃烧释放的气体（如二氧化碳等）已造成温室效应等各种环境问题频发，正在威胁着人类生存。
另一方面，人类对电力的需求正在飞速增长，可再生能源就成了最好的替代能源。
因此，聪明的人类将目光投向了各类清洁能源，如：水能、风能、潮汐能、核能以及太阳能等。
万物生长靠太阳，作为清洁能源之一的太阳能也就逐渐进入人们的视野，更重要的是太阳能几乎占地球总能量的99%，以分布广泛，不受地域限制，用之不竭，对人和环境无害无污染，故受科学家们的青睐，随着技术的发展，光电转换效率的提高，太阳能的对人类能源的贡献正在逐年增加。
本文介绍了太阳能电池的历史背景和发展状况，并简要阐述了太阳能电池的基本工作原理；重点介绍了有机薄膜太阳能电池的制备过程中的关键技术，制备了以P3HT（聚-3己基噻吩）:PCBM（[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester）为活性层的有机薄膜太阳能电池；通过光电测试系统，测试了有机太阳能电池的I—V特性曲线通过分析电学特征测试结果得到了改进制备过程中的优化参数，确定了有机薄膜太阳能电池的更佳制备方案。
通过本文的研究工作更加了解了有机太阳能电池在未来的发展方向。
第一章绪论1.1 引言当下，由于人类的过度开发，不可再生能源枯竭，使得世界各国不得不研究、利用可再生能源。
太阳能电池以其可再生、分布广、不受地域限制、且用之不竭、无污染的优势首当其冲，光伏发电的发现，为太阳能的利用提供了原理基础。
在太阳能电池的发展史上，人类最先发现的是硅系太阳能电池，但是提取高纯硅，工艺复杂，价格昂贵，使其受到一定限制，而且硅系的太阳能光电转化效率，理论极限为25%，也就是从根本上限制了它在未来市场的发展。
近几年来，各种多元化合物太阳能电池逐渐进入主流市场，典型的有：砷化镓（GaAs）、磷化铟镓（GaInP）、锑化镓（GaSb）、碲化镉（CdTe）等。
薄膜太阳能电池研究综述
薄膜太阳能电池研究的现状及前景综述摘要：介绍了薄膜太阳能电池在光伏产业中的地位，并分别概述CIGS CdTe 多晶硅非晶硅染料敏化等薄膜太阳能电池的研究现状及前景。
通过分析这几种薄膜太阳能电池发展现状及各自的特点，找出有待解决的问题，展望薄膜太阳能电池研究的前景。
关键词：薄膜太阳能电池CIGS CdTe 多晶硅非晶硅染料敏化1.引言太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、水能等都来源于太阳能。
太阳能电池是是一种通过光伏效应将太阳能转变为电能的一种装置，是利用太阳能的一种重要形式。
目前，人们根据所选用的半导体材料将太阳能电池应用技术分为晶硅和薄膜两大类。
晶硅太阳能电池在现阶段的大规模应用和工业生产中占据主导地位，但由于其成本过高，限制了其发展。
相比晶硅等其它太阳能电池，薄膜太阳能电池具有生产成本低、原材料消耗少、弱光性能优良等优势。
随着世界能源紧缺，薄膜太阳能电池作为一种光电功能薄膜，可以有效地解决能源短缺问题，而且无污染，还可以实现光伏建筑一体化，易于大面积推广。
本文主要综述CIGS、CdTe、多晶硅、非晶硅、染料敏化和有机薄膜太阳能电池等的研究现状及前景。
2.CIGS薄膜太阳能电池铜铟镓硒薄膜太阳能电池是20世纪80年代后期开发出来的新型太阳能电池,典型结构为如下的多层膜结构!金属栅/减反膜/透明电极/窗口层/过渡层/光吸收层/背电极/玻璃。
铜铟镓硒薄膜太阳能电池是第三代太阳能电池的首选,并且是单位重量输出功率最高的太阳能电池。
所谓第三代太阳能电池就是高效/低成本/可大规模工业化生产的铜铟镓硒(CIGS)等化合物薄膜太阳能电池。
CIGS具有非常优良的抗干扰、耐辐射能力，因而没有光辐射引致性能衰退效应，使用寿命长。
CIGS是直接带隙的半导体材料，因此电池中所需的CIGS薄膜厚度很小(一般在2um左右)。
它的吸收系数非常高达10-5cm-1，同时还具有很好的非常大范围的太阳光谱的响应特性。
薄膜太阳电池的发展现状及趋势
薄膜太阳电池的发展现状及趋势【摘要】作为一种新生代的能源，是缓解能源危机的新型光伏器件，薄膜太阳能电池正得到不断的研究与发展，并取得了很大的进展。
本文综述了硅基薄膜太阳电池中非晶硅薄膜太阳电池、多晶硅薄膜太阳电池；多元化合物薄膜太阳电池里薄膜太阳能电池、薄膜太阳电池；纳米晶薄膜太阳电池中纳米晶薄膜太阳电池、基薄膜太阳电池及有机薄膜太阳电池的发展现状及趋势。
【关键词】薄膜太阳电池；硅基薄膜；多元化合物薄膜；纳米晶薄膜；有机薄膜随着煤、石油、天然气等能源日益枯竭和环境污染日益加剧，人们迫切需要寻找清洁可再生新能源。
作为地球无限可再生的无污染能源。
太阳能的应用日益引起人们的关注，将太阳能转化为电能的太阳能电池的研制得到了迅速发展。
目前以商品化的晶体硅太阳能电池的光电转化效率最高，但受材料纯度和制备工艺限制，成本高，很难再提高转化效率或降低成本。
薄膜太阳能电池只需几um的厚度就能实现光电转换，是降低成本和提高光子循环的理想材料[1]。
本文综述了各种薄膜太阳能电池的研究现状及生产现状，对薄膜太阳能电池的发展趋势进行了展望。
一、薄膜太阳能光伏产业发展现状在目前多晶硅原材料成本居高不下的情况下，各厂商纷纷转而寻求技术创新，而近期薄膜技术领域的突破使其成为太阳能电池产业新的热点。
以目前的技术水平来说，在非晶硅薄膜太阳能电池应用方面，还存在一些问题：（1）效率低单晶硅太阳能电池，单体效率为14%-17%（amo），而柔性基体非晶硅太阳电池组件（约1000平方厘米）的效率为10-12%，还存在一定差距。
（2）稳定性差其不稳定性集中体现在其能量转换效率随辐照时间的延长而变化，直到数百或数千小时后才稳定。
这个问题一定程度上影响了这种低成本太阳能电池的应用。
（3）相同的输出电量所需太阳能电池面积增加与晶体硅电池相比，每瓦的电池面积会增加约一倍，在安装空间和光照面积有限的情况下限制了它的应用。
薄膜技术的进步给厂商带来了新的发展思路，也正是看到2007年first solar在薄膜太阳能电池领域的出色表现，各厂商纷纷投产进军薄膜领域。
CIGS薄膜太阳能电池研究现状及发展前景
万方数据万方数据万方数据产线正在建设中，他们的技术路线是Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅ共蒸发，并进行２次硒化，平均转换效率８．５％。
ＷｕｒｔｈＳｏｌａｒ公司在德国的一所学校的屋顶上设置了一个５０ｋＷ的ＣＩＧＳ组件发电系统，是现在世界上最大的ＣＩＧＳ发电系统。
从已经开始生产的生产线工艺路线上看。
以Ｃｕ、ｌｎ、Ｇａ溅射成膜然后硒化的技术路线是主流技术。
日本的昭和壳牌石油、美国的ＳｈｅＩＩＳｏＩａｒ公司、ＧＳＥ公司都采用此种工艺路线，特点是组件效率较高，生产工艺稳定。
德国的ＷｕｒｔｈＳｏＩａｒ公司采用Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅ共蒸发，并进行２次硒化工艺，效率较低，工艺不稳定。
日本松下电器也采用共蒸发工艺，虽然组件的最高效率较高，能达到１５％～１６％，但是工艺非常不稳定，经过１０年的开发，到现在也不能实现中试水平的生产。
由此可见以Ｃｕ、ｌｎ、Ｇａ溅射成膜加硒化为主的工艺路线将成为ＣＧＳ组件生产的主流。
从以上的情况可以看出，无论研发的时间和历史、研究力量、研究公司的数量还是从国外所达到的光电转化效率以及成品率的数据，国外的研究水平都是国内所无法企及的。
与国际上研究开发的力度和规模相比较，国内对ＣｌＧＳ薄膜太阳能电池的研究几乎微不足道，以自然科学基金和国家８６３计划为主的基础研究资金投入不足３Ｏ０万人民币。
相关基础研究水４６Ｊ新衄斟产业２０惦．４平较低，国内目前达到的实验室最高光电转化率仅约为１０％。
以产业化为目的的研究项目有南开大学光电子所的“２００１年能源技术领域后续能源技术主题太阳能薄膜电池”８６３项目ＣＩＧＳ课题，科技部资金支持强度约２０００万人民币，目标是建成０．３ＭＷ中试线。
大约在２００１年以前国内从事ＣＧＳ薄膜太阳能电池研究的单位极少，稍有影响的是天津南开大学光电子所和作者所在的清华大学机械工程系功能薄膜研究室。
之后如北京大学重离子实验室、清华大学材料科学与工程系、中国科技大学等也开始开展ＣＳ系太阳能电池的研究。
薄膜太阳能电池的制备及应用研究
薄膜太阳能电池的制备及应用研究在日益紧张的能源短缺背景下，太阳能电池作为一种清洁绿色的新型能源，备受关注。
与传统的硅晶太阳能电池相比，薄膜太阳能电池具有更高的光电转换效率和更大的灵活性，逐渐成为研究的热点之一。
本文将介绍薄膜太阳能电池制备及其应用研究的进展和趋势。
一、薄膜太阳能电池制备技术薄膜太阳能电池主要由多层薄膜堆积结构组成，其中光吸收层、电荷分离层和电子传输层等是实现高效能量转换的关键部分。
目前，主要的薄膜太阳能电池有非晶硅、染料敏化型（DSSC）、有机太阳能电池（OSC）和钙钛矿太阳能电池（PSC）等。
（一）非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池是最早被研究和应用的一种薄膜太阳能电池。
其基本结构是由玻璃基板、导电层、p-i-n结构薄膜和金属电极组成。
非晶硅薄膜由于具有高的光吸收系数和高的载流子迁移率，因此具有较高的光电转换效率。
但是其低稳定性和性能退化等问题限制了其应用。
（二）染料敏化型太阳能电池染料敏化型太阳能电池常用的是钛酸盐作为阳极材料，以染料分子为光吸收层进行光电转换。
其基本结构是由导电玻璃、导电链、暴露于染料敏化电解液中的TiO2纳米晶、染料分子和反电极组成。
染料敏化型太阳能电池具有较高的光电转换效率和较低的成本，但是其稳定性仍存在问题，需要进一步改进和优化。
（三）有机太阳能电池有机太阳能电池以有机分子或聚合物为光吸收层，光生载流子的传输过程中利用电子与空穴的相互作用进行光电转换。
其优点是重量轻、柔性好、性能可调，但是其效率仍需要提高和稳定性也需要解决。
（四）钙钛矿太阳能电池钙钛矿太阳能电池是近年发展起来的一类新型太阳能电池。
其光吸收层为有机-无机钙钛矿晶体，具有高的光吸收系数和光电转换效率，已经成为应用研究的热点。
此外，钙钛矿太阳能电池具有可调性强、制备工艺简单等优点。
二、薄膜太阳能电池应用研究随着薄膜太阳能电池制备技术的不断发展，其应用领域也逐渐扩大。
目前，薄膜太阳能电池主要应用于移动电源、灵活显示屏、无线传感器等领域，未来还将有更广泛的应用前景。
薄膜太阳能电池的研究现状与分析
硅太 阳电池 的生产线 ０ ９ 月 １ 日． ２ ０ 年２ ８ 福建钧 石能源
有 限公 司投 资 的非 晶硅薄 膜太 阳能 电池 项 目总 金额
术 开 发 ． 建设 我 国第 一 条 铜锢 硒 薄 膜 太 阳 能 电池 将
［】 １ 车孝 轩 著 ． 阳 能光 伏 系 统 概论 ． 汉 ： 汉 太 武 武
大学 出版 社 ．０ ６１ ． ２０． ０
中试 线 ， 我 国成 为 继 德 、 、 使 美 日之 后 的第 ４ 开 展 个 这 种 电 池 中试 开发 的 国家 ． 将形 成 具 备 自有知 识 并
产权 的铜锢 硒薄 膜 太 阳能 电池产 业一 ２３染 料敏 化纳 米 晶太 阳能 电池 （ Ｓ Ｃ） ． Ｄ Ｓ
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有机薄膜太阳能电池的研究进展摘要：围绕提高有机薄膜太阳能电池的能量转换效率，从太阳光吸收效率、激子的分解率、载流子的迁移率和电荷向电极的注入效率4个方面综述了国内外的研究进展，并指出了提高转换效率的研究趋势，展望了有机薄膜太阳能电池的美好前景。
关键词：有机薄膜太阳能电池；转换效率1 前言近年来，有机薄膜太阳能电池的发展尤其引人注目，德国、日本、韩国和美国在这一领域处于领先地位。
相比传统的硅基太阳能电池，有机薄膜太阳能电池以其潜在的低成本、高效率、环境友好、稳定性高的特点，成为最有希望实现民用化光伏的产业，目前的转换效率突破了9%，发展趋势被业界一致看好。
2 有机薄膜太阳能电池的基本原理图1 有机薄膜太阳能电池的基本原理当阳光从阳极层（P型有机半导体）照射时，有机分子吸收光产生激子，激子向电子给体和电子受体的界面移动，在界面处通过光诱导解离分解成自由电子和自由空穴，自由电子和自由空穴各自向电极两端迁移，最后注入到两端电极输向外电路。
3 提高转化效率的研究进展有机薄膜太阳能电池要实现产业化，就需要有较高的转换效率，目前提高转换效率的研究主要集中在以下几方面：3.1 提高太阳光吸收效率材料对太阳光的吸收效率越高激子的生成效率就越高。
有机材料对太阳光的吸收一般在可见光区，大部分材料对太阳光的吸收利用率不超过40 %，提高材料的吸收光谱与太阳光谱的匹配性是提高材料对太阳光吸收效率的有效途径。
另外，还可以在器件结构中引入具有强吸收特性的材料。
利用它们吸收部分太阳能量，再通过激子扩散将其转移给活性材料［1］。
将太阳光吸收特性不同的电池单元层积得到级联电池（又称叠层电池），通过底层电池对顶层电池的补充吸收可以增加对太阳光谱的吸收。
张馨芳［2］等人研究了有机无机复合体系本体异质结叠层有机太阳能电池，用Ag作为夹层材料来连接上层的本体异质结太阳电池和下层的太阳电池，得到的叠层结构的太阳电池的开路电压是单层有机太阳电池的3.7倍，短路电流是单层有机太阳电池的1.6倍。
3.2 提高激子的分解率有机薄膜太阳能电池中，光照下产生的激子的库仑力非常大，约为数百meV，生成的激子只有扩散到p型和n型有机半导体接触的界面才能进行有效的分离。
而在有机材料中激子的扩散长度一般都小于20 nm，因此p型半导体层不能太厚，唐健敏等人［3］研究了基于ITO/CuPc/CuPc∶C60/Alq/Al结构的PIN 有机太阳能电池膜厚对器件性能的影响，发现当器件光吸收层、电子传输层、空穴传输层的厚度分别为15 nm、30 nm、40 nm时，器件的性能达到最佳。
扩散到pn界面的激子靠给体和受体形成的电子势垒解离，电子势垒的大小与给体和受体的最低空轨道（LUMO）能级差有关，势垒大于激子的结合能，对激子的解离较为有利。
这就要求p型半导体与n型半导体的能级要匹配，给体的LUMO轨道要高于受体的LUMO轨道，Alan J.Heeger等人［4］采用级联电池中顶电池的PCPDTBT/PCBM组合，给体PCPDTBT的LUMO能级为－3.5 ev，受体PCBM的LUMO能级为－4.3 ev；底层电池采用P3HT/PC70BM的组合，给体P3HT的LUMO能级为－3.2 ev，受体PC70BM的LUMO能级为－4.3 ev，达到了较好的能级匹配。
3.3 提高电子和空穴的迁移率激子在界面分离以后，生成的电子与空穴也必须在不复合的情况下向电极移动，较高的电荷迁移率对提高电池的效率至关重要。
设计具有高迁移率的活性材料是提高有机太阳能电池性能的一条有效途径。
在有机聚合物材料中掺入无机材料也可以提高聚合物的电导率，Berson S等人［5］在P3HT中引入碳纳米管（CNT）组装的电池P3HT/CNT/PCBM，光生电流有较大的提高，CNT一方面提高了载流子的迁移率，另一方面抑制了载流子的复合。
Kim K等人［6］在基于P3OT：C60的本体异质结器件中掺杂纳米金或纳米银粒子，由于提高了电导率，电池的效率提高了50 %～70 %。
对无定型的有机材料进行热处理使其晶化，可以提高材料的迁移率。
三菱化学采用p－i－n的电池结构，p层为四苯并卟啉（BP），i层为BP与富勒烯衍生物的体异质结混合层，n层为富勒烯衍生物。
所有的层均以涂布法成膜。
其中，i层使用通用有机溶剂将BP前驱体和富勒烯衍生物制成了墨水，凃布后通过180 ℃加热将BP前驱体转换成了BP。
转换成具有高结晶性及良好半导体特性的BP，其载流子迁移率为0.92 cm2/Vs（最大为1.8 cm2/Vs），极大地提高了载流子的传输能力，通过这种技术制备的电池效率达到7.8 %，并通过涂布转换技术进一步优化，将转换效率提高到了9.26 %［7］。
另外，加入缓冲层也是目前普遍采用的一种技术。
韩国光州科学技术研究院（GIST）的Kwang－hee Lee等人［8］采用单结本体异质结太阳能电池，用PCDTBT及PC70BM作为混合层，采用PEDOT和TiOX作为缓冲层提高空穴和电子传输效率。
得到的电池在AM（空气质量）1.5 G，光强100 mW/cm2的条件下V oc＝0.88 V，Jsc＝10.6 mA/cm2，FF＝0.66，η＝6.1 %。
3.4 提高载流子对电极的注入效率载流子对电极的注入效率除了与电极材料的性质有关（阳极选择功函数大的材料，阴极选择功函数小的材料），与电极的修饰也有很大的关系。
由于阴极和活性层之间存在较高的电子注入势垒，致使电子难于到达阴极。
阴极修饰起到降低电子注入势垒的作用。
Yang L［9］等人用Cs2CO3作为缓冲层修饰阴极，发现用Cs2CO3作为缓冲层时电池的V oc和转换效率都比用LiF作缓冲层有所提高。
阴极修饰还可以起到阻挡激子向电极的注入作用。
钟建［10］等人研究了基于ITO/CuPc/C60/Alq3/Ag的电池中Alq3作为激子阻挡层对有机太阳能电池的影响，在标准太阳光照下，当Alq3层的厚度为2.5 nm时，电池的性能最好，转换效率达到1.13 %。
4 研究趋势及前景展望光电转换率较低是阻碍有机太阳能电池产业化的瓶颈之一，为了进一步提高能量转换效率，下面几方面是今后的研究趋势：①寻找或合成与太阳光谱更加匹配、光吸收效率更高的材料，提高激子的生成率、迁移率和分解率。
②探索具有高迁移率的电荷传输复合材料，降低电子与空穴的复合。
③优化电极材料和电极表面的修饰，提高载流子的注入效率。
④改进器件构造和成膜工艺，探索最优化参数。
有机太阳能电池以其独特的优点（低成本、重量轻、产品柔软、设计自由度高、可大面积制备）引起了世界各国的高度关注。
能量转换效率突破9 %预示着有机太阳能电池向商业化迈进了一大步，随着相关研究的深入，在未来5～10年有机太阳能电池的能量转换效率有望提高到15 %，这为有机太阳能电池展示了美好的产业化前景。
参考文献：［1］密保秀，高志强等.基于有机薄膜的太阳能电池材料与器件研究进展［J］.中国科学：化学，2008（11）：957、975.［2］张馨芳，徐征等.基于叠层结构的本体异质结有机太阳电池［J］.光电子·激光，2008（8）：1016～1018.［3］唐健敏，史伟民等.ITO/CuPc/CuPc∶C60/Alq/Al结构的PIN有机太阳能电池［J］.上海大学学报（自然科学版），2010（1）：38～42.［4］Kim J Y,liee K,Coates N E, et al. Efficient tandem polymer solar cell fabricated by all－solution processing［J］. Science, 2007, 317: 222～225.［5］Berson S, de Bettignies R, et al. Elaboration of p3ht/cnt/pcbm composites for organic photovoltaic cells. Adv Funct Mater［J］, 2007, 17: 3363～3370.［6］Kim K, Carroll D L. Roles of Au and Ag nanoparticles in efficiency enhancement of poly（3－octylthiophene）/C60 bulk heterojunction photovoltaic devices［J］. Appl Phys Lett, 2005, 87［7］F. Robert，Outlook Brightens for Plastic Solar Cells ［J］. Science , 2011，332：293.［8］Park S H, Lee K, et al. Bulk heterojunction solar cells with internal quantum efficiency approaching 100%［J］. Nature Photon, 2009, 3: 297～302.［9］Liying Yang, Hua Xu, et al, Effect of cathode buffer layer on the stability of polymer bulk heterojunction solar cells［J］. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2010, 94（10）: 1831～1834.［10］钟建等.Alq3作为激子阻挡层对有机太阳能电池的影响［J］.光电子技术，2010（4）：246～249.（编辑：李敏）progress of Organic Thin－film Solar CellsYang BaoningAbstract: As the center of improving the energy conversion efficiency of Organic Thin－film Solar Cells, four aspects of the research progress were reviewed at home and abroad from sunlight absorption efficiency, exciton separation efficiency, carrier migration efficiency and carrier injection efficiency into the electrodes, and pointed out the research trends of improving the conversion efficiency, prospected the sunny outlook of the Organic Thin－film Solar Cells.Key words: Organic Thin－film Solar Cells; energy conversion efficiency。