有机无机杂化太阳能电池

有机无机杂化太阳能电池当今社会的主要能源以煤炭、石油和天然气为基础，由于这些化石燃料的储量有限，在不久的将来即将消耗殆尽。

另外，化石燃料燃烧产生二氧化碳，其浓度在大气中快速增加已经严重地影响了气候，导致全球气温升高，南北极的冰川融化。

在这种情况下，光伏太阳能电池作为一种可再生的清洁能源越来越引起人们的广泛关注。

由于光伏太阳能电池可以把太阳能直接转换成电能并且不释放出二氧化碳，因此，它能够提供清洁电能。

同时，太阳能取之不尽、用之不竭，无需成本，分布均匀。

无机太阳能电池具有高的光电转换效率，但是由于其制备工艺复杂、生产成本高，限制了它大面积的推广和应用。

有机聚合物太阳能电池，以有机聚合物材料为活性层，具有材料来源广泛、重量轻、制备工艺简单、可大面积成膜、柔性等优点而成为人们近年来关注的热点。

本实验所研究的新型有机无机杂化太阳能电池是一类基于光诱导效应，以共轭聚合物和无机半导体材料的复合材料为主要原料制备的太阳能电池。

本实验重点对有机溶液PEDOT：PSS加入DMSO、异丙醇等物质的掺杂改性问题和硅片表面的处理方式进行研究，并尽量简化其制作工艺，期望能够探索出PEDOT：PSS溶液与其他溶液的最佳配比以及使硅片表面与有机溶液的结合性增强的处理方法，从而提高太阳能电池的效率。

关键词：有机无机杂化太阳能电池；PEDOT：PSS；溶液配比；表面处理一、绪论1.1实验背景自从两次工业革命以后，煤、石油、天然气等化石燃料相机被广泛应用到生产生活的各个方面。

随着社会经济的不断发展和人类文明的不断进步，人类对能源的需求量不断飞速增长。

特别是20世纪以来，能源需求量呈直线上升趋势。

然而，目前人类一直广泛使用的能源主要是石油、天然气和煤炭等化石能源，都是不可再生的。

其有限的储量与人类无限的需求之间构成了不可调和的矛盾，预计最多还能使用一个世纪。

除此之外，此类能源燃烧后产生大量的二氧化碳气体，造成温室效应，加速全球气候变暖，给人类及其他动植物的生存构成巨大挑战。

而太阳能、风能、潮汐能、地热能、氢能和生物质能等可再生能源在能源消费总量中的比例少之又少。

相对而言，作为一种可再生能源，太阳能大规模广泛应用的可能性要大得多。

因此研制和发展太阳能电池日益受到关注。

与其他能源特别是目前的常规能源相比，太阳能具有以下优势：首先，他是人类可以利用的最丰富的能源。

据统计，在过去的漫长的十几亿年中，太阳只消耗了它本身能量的2%。

按这种速度计算，太阳足以供给人类使用几十亿年，可谓取之不尽，用之不竭；其次，在地球上，只要有光照的地方就有太阳能，这样我们就可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对于交通不发达的农村、海岛、边远地区更具有实用价值；最后，太阳能是一种十分清洁的能源，不会产生废渣废气，不会污染环境，影响生态平衡。

而太阳能电池通过光电或光化学效应直接将光能转化为电能，因此不需要其他燃料同时也不产生任何有害物质，对改善现代工业中能源问题引起的环境恶化和和能源匮乏具有重要作用。

根据使用材料的不同，可以把太阳能电池分为硅太阳能电池、有机太阳能电池，染料敏化太阳能电池、有机无机杂化太阳能电池等。

单晶、多晶硅电池技术已经相对成熟,但生产工艺较复杂、成本难以降低、光电转换效率提升空间不大等特点限制了它的大规模生产。

染料敏化太阳能电池中燃料色激发态寿命很短且染料分子的光谱响应范围也影响了电池整体效率（PCE）。

无机太阳能电池的半导体衬底比较昂贵，影响了其大规模应用。

有机聚合物太阳能电池由于电子迁移率较低从而导致电池的转换效率远低于无机太阳能电池。

有机无机杂化太阳能电池将有机材料电子结构多样、光吸收率较高、易加工和无机材料电子迁移率高、机械性能好、稳定性高的优点加以整合，对发展新型太阳能电池具有重要的理论意义和潜在价值。

1.2太阳能电池发展历史1839年，光生伏特效应第一次由法国物理学家A.E.Becquerel发现。

1849年术语“光－伏”才出现在英语中。

1883年第一块太阳电池由Charles Fritts制备成功。

Charles用硒半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结，器件只有1%的效率。

20世纪30年代，照相机的曝光计广泛地使用光起电力行为原理。

1946年Russell Ohl申请了现代太阳电池的制造专利。

20世纪50年代，随着半导体物性的逐渐了解，以及加工技术的进步，1954年当美国的贝尔实验室在用半导体做实验发现在硅中掺入一定量的杂质后对光更加敏感这一现象后，第一个太阳能电池在1954年诞生在贝尔实验室。

太阳电池技术的时代终于到来。

自20世纪58年代起，美国发射的人造卫星就已经利用太阳能电池作为能量的来源。

20世纪70年代能源危机时，让世界各国察觉到能源开发的重要性。

1973年发生了石油危机，人们开始把太阳能电池的应用转移到一般的民生用途上。

近几年,在美国、中国、日本和以色列等国家，已经大量使用太阳能装置，更朝商业化的目标前进。

1.3太阳能电池原理传统的无机太阳能电池发电的原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射直接转换为电能。

简单来说，当两个P型半导体和N型半导体结合在一起时，会生成一个空间电荷区，称为PN结。

当光线在太阳能电池的界面层被吸收，具有足够能量的光子就会将电子从共价键中激发，从而产生电子－空穴对。

界面层附近的电子和空穴在复合之前，由于空间电荷的电场作用，会相互分离。

空穴向带负电的P区运动，而电子向带正电的N区运动。

当界面层中的电荷分离时，可以在P区和N区之间产生一个可测试且向外的电压。

光最终照射在界面层时，产生的电子－空穴对的数量越多，电流越大。

而本文的有机无机杂化太阳能电池是通过光诱导效应发电的，工作过程一般可以分为光的吸收、产生激子、激子向异质结迁移、激子的分离和产生电流五个过程。

当光照射到电池表面时，HOMO（聚合物最高占有轨道）上的电子将会被能量大于共轭聚合物禁带能的光子激发，跃迁到LUMO（最低未占有轨道）上，所以激发电子的数量与HOMO所生成的空穴的数量相同，从而形成电子—空穴对即激子，激子不停的向无机半导体的界面处/共轭聚合物（异质结）运动，在激子抵达界面时，由于共轭聚合物/无机半导体的界面能大于激子的分离能，激子便会在此处产生分离，因此形成载流子。

而空穴从共轭聚合物向正极迁移，电子进入受体材料（无机半导体）的LUMO中，顺着无机半导体向负极迁移，从而形成在负载条件下的电流。

1.4太阳能电池分类图1 太能电池分类硅太阳能电池是目前应用最广泛，研究时间最长的太阳能电池，可以分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。

单晶硅太阳能电池，其原料是高纯度的单晶硅，是当前开发得最快的一种太阳能电池。

它的构造和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面在实验室里的转换效率可达到24.7%，规模生产时的效率可达到18%。

但是由于硅材料的成本比较高，虽然现在仍占据着太阳能电池的主导地位，但在可预见的将来其地位将大幅下降，特别是随着其他材料的太阳能电池研究的不断深入发展，单晶硅太阳能电池将会被有机材料等光伏电池替代。

多晶硅太阳能电池兼具单晶硅电池的高转换效率和长寿命以及非晶硅薄膜电池的材料制备工艺相对简化等优点的新一代电池，其转换效率一般为12%左右，比单晶硅太阳电池稍低一些，但是效率衰退问题不明显，并且可以在廉价衬底材料上制备，所以成本要远低于单晶硅太阳能电池，而且效率要比非晶硅太阳能电池高。

非晶硅薄膜太阳能电池是一种以非晶硅化合物为基本组成的薄膜太阳能电池。

相对而言，具有生产成本低,能量返回期短,弱光响应好等特点。

但是目前的效率比较低，需要进一步深化研究。

砷化镓太阳能电池是一种聚光太阳能电池，利用凸透镜或抛物面镜把太阳光聚焦几百上千倍，再投射到太阳能电池上，从而使太阳能电池生成相应倍数的电功率进而发电。

单结的砷化镓电池理论效率达到27%，而多结的砷化镓电池理论效率更超过50%，远高于目前大规模应用的硅太阳能电池的理论效率。

砷化镓太阳电池的发展是从上世纪50年代开始的，至今已有已有50多年的历史。

1954年世界上首次发现GaAs材料具有光伏效应，目前实验室最高效率已达到50%（来自IBM公司数据），产业生产转化率可达30%以上。

但是GaAs材料的价格不菲，而且在物理性质上要更脆，加工难度大，因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。

铜铟硒薄膜太阳能电池（简称CIS）也是应用光电效应发电的，它是在玻璃或其它廉价衬底上通过电子束蒸发等方法沉积若干层金属化合物半导体薄膜，薄膜总厚度大致在2-3μm之间。

铜铟硒电池的抗辐射能力强，成本比较低，不存在光致衰退问题，性能较稳定，同时是目前所有薄膜太阳能电池中光电转换效率最高的。

但是铜铟硒电池是由多元化合物组成的半导体器件，结构复杂，元素配比十分敏感，因此其工艺和制备条件极为苛刻，而且铟和硒都是比较稀有的元素，所以发展受到很大限制。

有机太阳能电池是以有机聚合物代替无机材料的，也可称之为塑料太阳能电池。

有机材料相比于其他材料，可以广泛得到，可塑性强，质地柔软，成本较低，因此对大规模的推广太阳能使用，向人类提供廉价清洁的电能具有重要意义。

但以有机材料制备太阳能电池的研究时间相对而言比较短，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。

但是在约十年前发现，在有机太阳能电池生产过程中要添加溶剂才能提高它的转换效率，却并不知道其原因。

在2015年2月，德国爱德合温技术大学发现用“发酵粉”提高了有机太阳能电池的转换效率2-3倍的原因，当他们不加额外溶剂时，他们发现有机混合体在硬化过程，形成大的液滴。

这对电子输送是一种负面的效应。

结果导致有机太阳能电池的效率低下。

在溶液中加入添加溶剂愈多，当达到某一特别量时，这些液滴会变得小些。

在硬化过程中有二种效应；一方面，溶液蒸发，高聚物形成折叠结构，而加入添加溶剂时，使这种折叠过程提早开始，这表示最终不形成泡，添加溶剂起了一种“发酵粉”的作用，它改善了混合聚合物的结构。

这种新的了解，将会对太阳能电池的研究发展起到极大的促进作用。

染料敏化太阳能电池，是将一种色素附着在TiO2粒子上，然后浸泡在一种电解液中的电池。

色素受到光的照射，生成自由电子和空穴。

自由电子被TiO2吸收，从电极流出进入外电路，再经过用电器，流入电解液，最后回到色素。

在1991年瑞士洛桑高工(EPFL)M. Grtzel教授领导的研究小组在《Nature》上发表了关于染料敏化纳米晶体太阳能电池的文章以较低的成本得到了>7%的光电转化效率，说明了染料敏化太阳能电池的可行性，开辟了太阳能电池发展史上一个崭新的时代,为利用太阳能提供了一条新的途径。

主要由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。