有机太阳能电池的优势与前景
周宇翔 王昊禺 胡剑书 赵秋辰
(北京大学化学与分子工程学院 09 级，北京)
摘要 简要分析了有机太阳能电池的机理，通过对比传统的硅基太阳能电池，分析了有机太 阳能电池的优势，并对有机太阳能电池的前景作了展望。
关键词 有机太阳能电池；硅基太阳能电池；电光转化率；能源回收年数；柔性材料 0．引言
能源是为人类的一切活动提供不同种类能量的资源，是人类社会最重要的基础资源之 一，可以说是与人类的现在与未来密不可分的一种物质，也因此备受人们关注。
能源按消耗后是否产生污染分为污染型能源（如化石燃料等）与清洁型能源（如水能、 风能、太阳能等）。在和谐社会与可持续发展的理念下，清洁型能源自然成为了当前各界关 注的重点。清洁型能源中的太阳能更是以其覆盖面广，环境限制低，又无需运输等优点 而成为人们关注的焦点。
太阳能的开发与利用主要分为热能利用以及光能利用：一方面人们通过利用阳光加热水 产生蒸汽等方式以利用其内能，另一方面人们用太阳能电池将太阳能转化为电能来进行利 用。综合比较，因电能更易储存和输送，将太阳能转化为电能更有利于人们对太阳能的综合 利用。因此太阳能电池在近几十年中不仅是人们重点关注的问题，也是科学家最感兴趣的话 题之一。
目前，从太阳能电池的市场的结构来看，硅材料的太阳能电池是主流，硅基太阳能电池 占有市场 80% 以上[1]，而有机太阳能电池只占其中很小的一部分。但是，有机太阳能电池具
有一定的优势与前景，作为新近的研究重点同样受到了关注，所以本文将就各类的太阳能电 池的结构、光电效率、生产技术成本、市场前景等方面做比较，综合讨论有机太阳能电池的 优缺点。
1．太阳能电池原理
太阳能电池是一种可以将光能转化为电能的半导体装置，基于法国物理学家 Edmund Becquerel 在 1839 年发现的光伏效应 （Photovoltaic Effect）制成[2]。例如 P-N 异质结 结构，当光照射在 n 型半导体与 p型半导体之间的复合结构上时，n 型半导体中的电子作为
主要载流子离开原来的位置，产生空穴，而 P-N 复合结构的界面处将产生电场。将电子与 空穴分开（如图 1 所示）从而产生光电压而形成电流，其他的结构同样可以产生电场而将电
子与空穴分离。这就是太阳能电池将光能转化为电能的基本原理。
图 1 P-N复合结构的界面产生电场示意图‐ 2 ‐
2．有机太阳能电池的结构与原理
2.1 有机太阳能电池的原理
有机太阳能电池以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，以光伏效应而产生电压形 成电流。主要的光敏性质的有机材料均具有共轭结构并且有导电性，如酞菁化合物、卟啉、 菁（cyanine）等。
2.2 有机太阳能电池的几种结构
有机太阳能电池按照半导体的材料可以分为单质结结构、P-N异质结结构、染料敏化纳 米晶结构。
2.3 单质结结构
单质结结构是以 Schotty 势垒为基础原理而制作的有机太阳能电池。其结构为玻璃/金
属电极/染料/金属电极，利用了两个电极的功函不同，可以产生一个电场，电子从低功函的 金属电极传递到高功函电极从而产生光电流。由于电子—空穴均在同一种材料中传递，所以 其光电转化率比较低[3]。
2.4 P—N 异质结结构
P-N 异质结结构是指这种结构具有给体-受体（N 型半导体与 P 型半导体）的异质结结 构，结构如图。其中半导体的材料多为染料，如酞菁类化合物、北四甲醛亚胺类化合物[4]， 利用半导体层间的 D/A 界面以及电子—空穴分别在不同的材料中传递的特性，使分离效率 提高。Elias Stathatos 等人结合无机以及有机化合物的优点制得的太阳能电池光电转化率 在 5%~6%[5]。
2.5 NPC(nanocristaline photovoltaic cell)染料敏化纳米晶
染料敏化太阳能电池（DSSC）主要是指以染料敏化的多空纳米结构 TiO2 薄膜伟光阳极 的一类太阳能电池。它是仿生植物叶绿素光合作用原理的太阳能电池。而 NPC 太阳能电池可选用适当的氧化还原电解质从而使光电效率提高，一般可稳定于 10%，并且纳米晶 TiO2制备简便，成本低廉，寿命可观，具有不错的市场前景。
3．各类太阳能电池效率及对比及优势
鉴于现下的太阳能电池市场的组成主要为硅基太阳能电池，其余的以有机太阳能电池为 主，所以我们再次对这两种电池从光电转化率、成本、单独制作、使用性能方面进行比较。
3.1 光电转化率的对比
从前文我们可以看到，有机太阳能电池中的 DSSC 以及 NPC 结构的太阳能电池的光电转 化率目前最高能达到 10%左右。而对于硅基太阳能电池，由于发展比较早，其工艺比较成熟，
转化率比较高。提高转化效率主要是通过单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺，例如德国 费莱堡的夫朗霍夫太阳能系统研究所，他们采用一定的处理方法制得的电池转换效率超过 23％[6]
。
从数据上来看，当前的有机太阳能电池比硅基的太阳能电池的转化率低约 10%，有机太 阳能电池的光电转化率低现在仍是一个重要的制约其推广的问题。由此可见，如何提高转化 率有机太阳能电池是有机太阳能电池的推广的重点问题。
3.2 成本以及工艺的的对比
有机太阳能电池中 NPC 材料主要是纳米 TiO2以及有机复合材料，这二者的生产成本均 远低于高精硅的提炼，从中我们可以预见到有机太阳能电池的成本低廉，事实上，现下的有‐ 3 ‐
机太阳能电池成本平均为硅基太阳能电池的 10%-20%。
从生产工艺上讲，硅基太阳能电池主要重点是硅的表面微结构处理，以及硅的提纯处理 技术。有机太阳能电池的材料研发周期比较长，但是投入生产以后十分便捷，并且有机太阳 能电池的精细程度比较容易掌握，有良好的市场前景。
3.3 使用性能的对比
为衡量太阳能电池的成本，我们引入了能源回收年数的概念：
能源回收年数=生产太阳能电池所消耗的能量/每年利用太阳能电池转化的能量
单晶硅多晶硅为 19.3 年，采用连续加料炉可减至 16 年，采用电子计算机控制 14 年， 带状多晶太阳能电池 9 年，α 硅太阳能电池 1.5 年。而有机太阳能电池能源回收年数仅为传
统硅电池的 10%~15%。
材料物理性质：有机材料多属柔性材料，超薄的有机太阳能电池也具有柔性，可以进行
折叠、卷曲。由于有机材料密度比较轻，因此方便携带。硅基太阳能电池不能进行弯曲折叠， 并且密度较大，不便于携带。
由此可见，有机太阳能电池的寿命相当可观，方便实际使用，可以符合市场的实际需要。 虽然受技术条件限制还存在环境适应性差、光电转化率不高等缺点，但仍有独特的优越性， 具有很强的市场竞争力。
4.有机太阳能电池的前景
4.1 技术前景
（1）提高能量转化率
现今有机太阳能的转化率最高达到 6.5%，只能驱动耗电极少的用电器工作。随着科学 技术的发展，科学家必将研制出转化率更高的电池。届时，手机、MP3 等常用工具将摆脱充电麻烦的问题，使人们的生活更加富有机动性。
提高能量转化率可以在以下几方面进行改进：
① 优化表面结构，将电池表面反射的光重新聚集进入电池；
② 使用反射镀膜复活光子和制造多结多禁带结构电池捕获宽波长的光子从而获得合理 的光子吸收率；
③ 使用低电阻率和小覆盖面的金属作为前点击已获得最大填充因子和较大光电流[7] ；
④ 制造由纳米级材料组成的光电池。纳米材料是由超细微粒组成的，其边界区的体积 大约是材料总体积的 50%，这样的结构可能会带来神奇性能[8]
。
（2）便携、可折叠
与 Si 基太阳能电池相比，有机太阳能电池的一大特点就是质量轻，柔软而可折叠。众 所周知，太阳能电池产生的功率与其受垂直光照的面积成正比。如果将有机太阳能电池设计 成轻薄柔软的材料，做成类似阳伞的形状，既减小了体积，方便了携带，又可在有阳光的时 候随时充电，实用性很强。
（3）仿生学应用
自然界有很多能够高效转化太阳能的酶。以光合作用的第一步光反应为例，通过原初反 应使光系统的反应中心发生电荷分离，产生的高能电子推动着光合膜上的电子传递，这种方 法的光能转化率可以达到 42%之多[9]。随着新型仿生技术的发展，达到，甚至超越这个数值
是很可能的。 ‐ 4 ‐
（4）两种模型猜想
① 层状模型
采用透光性能较好的材料作为极板材料，采取多层叠加的方式，每一层使用不同的光敏 材料以吸收不同波长的光，从而达到尽可能多的吸收太阳光辐射的目的。这样做优点有二： a．有针对性的吸收特定长度的光更加便于控制，与传统的广谱吸光相比转化率更高。 b.光线可以在层间发生反射，有效地降低了光能向外界的耗散。
② 针状模型。
将有机太阳能电池做成柔软的针状，并相对紧密的排列，增加其比表面积。光线照射在 上面时，通过在针间的无数次反射减少光能向外界的耗散。由于硅基太阳能电池多为刚性材 料，质地脆而硬，制作上述电池有很大危险，因此选用有机太阳能电池无疑为更好的选择。
4.2 应用前景
已知太阳光照射到地球上的平均能量密度为 1376W/平方米[9]，假设能量转化率已达到 为 30%。城市每个三口之家每天的平均用电量为 3kw·h[9]，平均太阳光照时间 4h，则只
需不
足 2 平方米太阳能电池板即可为之提供充足的电力。另一方面，家庭电路最大熔断电流一般
在 20A左右，最大瞬时功率 4400W。达到此瞬时功率只需 10平方米左右的太阳能电池板即
可。
工厂、学校的等大型耗电场所则依靠水利、风力发电、核能发电等途径获得电力。这种 多层次的供电体系既可以保证社会正常运转，也充分利用了清洁能源。
由上述计算我们也以大致看出，太阳能电池只能作为辅助能源，而不能作为主要能源使 用。因为太阳能虽然总量很大，但受场地及成本等因素限制不可能达到很高的功率，难以满 足高耗电场所的电力需求，而且太阳能受天气情况等因素影响较大，并不十分稳定，所以利 用它做主要能源是不现实的。
5.总结
综上，太阳能作为一种重要辅助能源在未来社会占据着不可取代的地位，而有机太阳能 电池也必将因为其优越的性能和低廉的成本在未来能源领域显示出不可比拟的竞争力
有机太阳能电池的优势与前景
周宇翔 王昊禺 胡剑书 赵秋辰
(北京大学化学与分子工程学院 09 级，北京)
摘要 简要分析了有机太阳能电池的机理，通过对比传统的硅基太阳能电池，分析了有机太 阳能电池的优势，并对有机太阳能电池的前景作了展望。
关键词 有机太阳能电池；硅基太阳能电池；电光转化率；能源回收年数；柔性材料 0．引言
能源是为人类的一切活动提供不同种类能量的资源，是人类社会最重要的基础资源之 一，可以说是与人类的现在与未来密不可分的一种物质，也因此备受人们关注。
能源按消耗后是否产生污染分为污染型能源（如化石燃料等）与清洁型能源（如水能、 风能、太阳能等）。在和谐社会与可持续发展的理念下，清洁型能源自然成为了当前各界关 注的重点。清洁型能源中的太阳能更是以其覆盖面广，环境限制低，又无需运输等优点 而成为人们关注的焦点。
太阳能的开发与利用主要分为热能利用以及光能利用：一方面人们通过利用阳光加热水 产生蒸汽等方式以利用其内能，另一方面人们用太阳能电池将太阳能转化为电能来进行利 用。综合比较，因电能更易储存和输送，将太阳能转化为电能更有利于人们对太阳能的综合 利用。因此太阳能电池在近几十年中不仅是人们重点关注的问题，也是科学家最感兴趣的话 题之一。
目前，从太阳能电池的市场的结构来看，硅材料的太阳能电池是主流，硅基太阳能电池 占有市场 80% 以上[1]，而有机太阳能电池只占其中很小的一部分。但是，有机太阳能电池具
有一定的优势与前景，作为新近的研究重点同样受到了关注，所以本文将就各类的太阳能电 池的结构、光电效率、生产技术成本、市场前景等方面做比较，综合讨论有机太阳能电池的 优缺点。
1．太阳能电池原理
太阳能电池是一种可以将光能转化为电能的半导体装置，基于法国物理学家 Edmund Becquerel 在 1839 年发现的光伏效应 （Photovoltaic Effect）制成[2]。例如 P-N 异质结 结构，当光照射在 n 型半导体与 p型半导体之间的复合结构上时，n 型半导体中的电子作为
主要载流子离开原来的位置，产生空穴，而 P-N 复合结构的界面处将产生电场。将电子与 空穴分开（如图 1 所示）从而产生光电压而形成电流，其他的结构同样可以产生电场而将电
子与空穴分离。这就是太阳能电池将光能转化为电能的基本原理。
图 1 P-N复合结构的界面产生电场示意图‐ 2 ‐
2．有机太阳能电池的结构与原理
2.1 有机太阳能电池的原理
有机太阳能电池以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，以光伏效应而产生电压形 成电流。主要的光敏性质的有机材料均具有共轭结构并且有导电性，如酞菁化合物、卟啉、 菁（cyanine）等。
2.2 有机太阳能电池的几种结构
有机太阳能电池按照半导体的材料可以分为单质结结构、P-N异质结结构、染料敏化纳 米晶结构。
2.3 单质结结构
单质结结构是以 Schotty 势垒为基础原理而制作的有机太阳能电池。其结构为玻璃/金
属电极/染料/金属电极，利用了两个电极的功函不同，可以产生一个电场，电子从低功函的 金属电极传递到高功函电极从而产生光电流。由于电子—空穴均在同一种材料中传递，所以 其光电转化率比较低[3]。
2.4 P—N 异质结结构
P-N 异质结结构是指这种结构具有给体-受体（N 型半导体与 P 型半导体）的异质结结 构，结构如图。其中半导体的材料多为染料，如酞菁类化合物、北四甲醛亚胺类化合物[4]， 利用半导体层间的 D/A 界面以及电子—空穴分别在不同的材料中传递的特性，使分离效率 提高。Elias Stathatos 等人结合无机以及有机化合物的优点制得的太阳能电池光电转化率 在 5%~6%[5]。
2.5 NPC(nanocristaline photovoltaic cell)染料敏化纳米晶
染料敏化太阳能电池（DSSC）主要是指以染料敏化的多空纳米结构 TiO2 薄膜伟光阳极 的一类太阳能电池。它是仿生植物叶绿素光合作用原理的太阳能电池。而 NPC 太阳能电池可选用适当的氧化还原电解质从而使光电效率提高，一般可稳定于 10%，并且纳米晶 TiO2制备简便，成本低廉，寿命可观，具有不错的市场前景。
3．各类太阳能电池效率及对比及优势
鉴于现下的太阳能电池市场的组成主要为硅基太阳能电池，其余的以有机太阳能电池为 主，所以我们再次对这两种电池从光电转化率、成本、单独制作、使用性能方面进行比较。
3.1 光电转化率的对比
从前文我们可以看到，有机太阳能电池中的 DSSC 以及 NPC 结构的太阳能电池的光电转 化率目前最高能达到 10%左右。而对于硅基太阳能电池，由于发展比较早，其工艺比较成熟，
转化率比较高。提高转化效率主要是通过单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺，例如德国 费莱堡的夫朗霍夫太阳能系统研究所，他们采用一定的处理方法制得的电池转换效率超过 23％[6]
。
从数据上来看，当前的有机太阳能电池比硅基的太阳能电池的转化率低约 10%，有机太 阳能电池的光电转化率低现在仍是一个重要的制约其推广的问题。由此可见，如何提高转化 率有机太阳能电池是有机太阳能电池的推广的重点问题。
3.2 成本以及工艺的的对比
有机太阳能电池中 NPC 材料主要是纳米 TiO2以及有机复合材料，这二者的生产成本均 远低于高精硅的提炼，从中我们可以预见到有机太阳能电池的成本低廉，事实上，现下的有‐ 3 ‐
机太阳能电池成本平均为硅基太阳能电池的 10%-20%。
从生产工艺上讲，硅基太阳能电池主要重点是硅的表面微结构处理，以及硅的提纯处理 技术。有机太阳能电池的材料研发周期比较长，但是投入生产以后十分便捷，并且有机太阳 能电池的精细程度比较容易掌握，有良好的市场前景。
3.3 使用性能的对比
为衡量太阳能电池的成本，我们引入了能源回收年数的概念：
能源回收年数=生产太阳能电池所消耗的能量/每年利用太阳能电池转化的能量
单晶硅多晶硅为 19.3 年，采用连续加料炉可减至 16 年，采用电子计算机控制 14 年， 带状多晶太阳能电池 9 年，α 硅太阳能电池 1.5 年。而有机太阳能电池能源回收年数仅为传
统硅电池的 10%~15%。
材料物理性质：有机材料多属柔性材料，超薄的有机太阳能电池也具有柔性，可以进行
折叠、卷曲。由于有机材料密度比较轻，因此方便携带。硅基太阳能电池不能进行弯曲折叠， 并且密度较大，不便于携带。
由此可见，有机太阳能电池的寿命相当可观，方便实际使用，可以符合市场的实际需要。 虽然受技术条件限制还存在环境适应性差、光电转化率不高等缺点，但仍有独特的优越性， 具有很强的市场竞争力。
4.有机太阳能电池的前景
4.1 技术前景
（1）提高能量转化率
现今有机太阳能的转化率最高达到 6.5%，只能驱动耗电极少的用电器工作。随着科学 技术的发展，科学家必将研制出转化率更高的电池。届时，手机、MP3 等常用工具将摆脱充电麻烦的问题，使人们的生活更加富有机动性。
提高能量转化率可以在以下几方面进行改进：
① 优化表面结构，将电池表面反射的光重新聚集进入电池；
② 使用反射镀膜复活光子和制造多结多禁带结构电池捕获宽波长的光子从而获得合理 的光子吸收率；
③ 使用低电阻率和小覆盖面的金属作为前点击已获得最大填充因子和较大光电流[7] ；
④ 制造由纳米级材料组成的光电池。纳米材料是由超细微粒组成的，其边界区的体积 大约是材料总体积的 50%，这样的结构可能会带来神奇性能[8]
。
（2）便携、可折叠
与 Si 基太阳能电池相比，有机太阳能电池的一大特点就是质量轻，柔软而可折叠。众 所周知，太阳能电池产生的功率与其受垂直光照的面积成正比。如果将有机太阳能电池设计 成轻薄柔软的材料，做成类似阳伞的形状，既减小了体积，方便了携带，又可在有阳光的时 候随时充电，实用性很强。
（3）仿生学应用
自然界有很多能够高效转化太阳能的酶。以光合作用的第一步光反应为例，通过原初反 应使光系统的反应中心发生电荷分离，产生的高能电子推动着光合膜上的电子传递，这种方 法的光能转化率可以达到 42%之多[9]。随着新型仿生技术的发展，达到，甚至超越这个数值
是很可能的。 ‐ 4 ‐
（4）两种模型猜想
① 层状模型
采用透光性能较好的材料作为极板材料，采取多层叠加的方式，每一层使用不同的光敏 材料以吸收不同波长的光，从而达到尽可能多的吸收太阳光辐射的目的。这样做优点有二： a．有针对性的吸收特定长度的光更加便于控制，与传统的广谱吸光相比转化率更高。 b.光线可以在层间发生反射，有效地降低了光能向外界的耗散。
② 针状模型。
将有机太阳能电池做成柔软的针状，并相对紧密的排列，增加其比表面积。光线照射在 上面时，通过在针间的无数次反射减少光能向外界的耗散。由于硅基太阳能电池多为刚性材 料，质地脆而硬，制作上述电池有很大危险，因此选用有机太阳能电池无疑为更好的选择。
4.2 应用前景
已知太阳光照射到地球上的平均能量密度为 1376W/平方米[9]，假设能量转化率已达到 为 30%。城市每个三口之家每天的平均用电量为 3kw·h[9]，平均太阳光照时间 4h，则只
需不
足 2 平方米太阳能电池板即可为之提供充足的电力。另一方面，家庭电路最大熔断电流一般
在 20A左右，最大瞬时功率 4400W。达到此瞬时功率只需 10平方米左右的太阳能电池板即
可。
工厂、学校的等大型耗电场所则依靠水利、风力发电、核能发电等途径获得电力。这种 多层次的供电体系既可以保证社会正常运转，也充分利用了清洁能源。
由上述计算我们也以大致看出，太阳能电池只能作为辅助能源，而不能作为主要能源使 用。因为太阳能虽然总量很大，但受场地及成本等因素限制不可能达到很高的功率，难以满 足高耗电场所的电力需求，而且太阳能受天气情况等因素影响较大，并不十分稳定，所以利 用它做主要能源是不现实的。
5.总结
综上，太阳能作为一种重要辅助能源在未来社会占据着不可取代的地位，而有机太阳能 电池也必将因为其优越的性能和低廉的成本在未来能源领域显示出不可比拟的竞争力