西安理工大学
微电子学
太阳能材料研究
摘要：主要介绍有机太阳能电池器件材料近年来的一些主要进展和取得的重大突破。首先对有机太阳能电池的原理及基本结构进行简单的介绍，然后对有机太阳能电池的核心有机材料部分进行了详细的介绍，最终得出结论：有机太阳能电池在将来得到商业化普及是发展的必然趋势，它将成为世界重要能源之一。
关键词：有机太阳能电池；有机材料；原理；结构
引言 随着全球经济的迅猛发展和人口的激增，以石油、天然气和煤等为主的化石能源被大量开采和利用，能源危机的阴影也正慢慢显露出来，寻找可替代的新能源成为人类所面临的重大问题。此外，化石燃料的大量使用也对环境造成了巨大破坏，大量温室气体的排放使全球温度升高，海平面上升。这些问题已成为威胁人类生存的危险因素。太阳有许多化石燃料所没有的优势：取之不尽，用之不竭；不排放任何温室气体，对坏境的影响极小，是一种绿色能源；太阳能分布极广且地域限制小。太阳能的种种优点，导致了人们在其开发上的大量投入。
太阳能材料 对太阳能的开发，离不开太阳能材料的研究和发展。太阳能材料是能将太阳能直接转换成电能的材料。太阳能材料又称光伏材料，只有半导体材料具有这种功能。太阳电池对材料的要求是转换效率高，能制成大面积的器件，以便更好地吸收阳光。因此，高的光电转换效率成为各研究机构和企业追逐的重点。可生产太阳电池的材料有单晶硅、非晶硅、GaAs、GaAlAs、lnP、CdS、CdTe等。用于空间的有单晶硅、GaAs、lnP。用于地面已批量生产的有单晶硅、多晶硅、非晶硅。其他尚处于开发阶段。目前致力于降低材料成本和提高转换效率，使太阳电池的电力价格与火力发电的电力价格竞争，从而为更广泛更大规模应用创造条件。
有机太阳能电池材料
有机小分子化合物 有机小分子光电转换材料具有低成本、可以加工成大面积的优点 ，同时有机小分子的合成、表征相对简单，化学结构容易修饰，可以根据需要增减功能基团，而且可以通过各种不同方式互相组合 ，以达到不同的使用目的。利用有机小分子材料可以恰当地模 拟生物体内功能分子的作用，给光电转换机理研究和 结构与眭能的关系研究带来了许多方便之处 f1”。 肖特基电池是最早期的有机太阳能电池 ，即在真空条件下把有机半导体染料如酞菁等蒸镀在基板上形成夹心式结构 。这类电池对于研究光电转换机理很有帮助，但是蒸镀薄膜的加工工艺比较复杂，有时候薄膜容易脱落，因此又发展了将有机染料半导体分散在聚碳酸酯 (PC)、聚醋酸乙烯酯 (PVAC)、聚乙烯卡唑 fPVK)等聚合物的技术。然而这些技术虽然能提高涂层的柔韧性 ，但半导体的含量相对较低 ， 使光生载流子减少，短路电流下降[121。 2001年 ，剑桥大学的 Friend等人在Science杂志上报道了利用共轭盘状液晶分子HBC PhC 作为电子给体和芘类化合物 PTCBI作为电子受体共同溶解于氯仿中，旋转涂膜，制成器件 ITO／ HBC2PhC】2：PTCBI／A1，在 490nm处外量子效率达 到 34％，能量转换效率达到 1．95％。
有机大分子
有机大分子材料是目前正在迅速崛起的一种新的光电转换材料，它的优点在于成本低，制作方便，24化工技术与开发第42卷易于推广普及。从发展趋势上来看，此类材料有望成为新一代的太阳能电池材料。1998年，Friend研究小组在聚合物光诱导电荷转移光电池的研
究获得了重大的发展，Nature杂志报道了他们用聚噻吩衍生物 POPT作为电子给体，用聚亚苯基乙烯取代碳60利用层压技术制成光电池器件所得双层器件结构的能量转换效率在模拟太阳光下为1.9％。 2003年 ，Takahashi等人将聚噻吩衍生物PTh与光敏剂卟啉 H2PC共混后与芘衍生物 PV制成双层膜器件，在430nm处的能量转换效率最高达到了2.91％。
有机无机杂化体系 2002年3月29日13 Science期刊上报导了加州大学化学家发明了一种新的方法 ，将有机太阳能电池涂在物体的表面上，为可携式电子设备及其他低耗电量电子设备提供电力。虽然此太阳能电池的能量转换效率只有1.7％，但它的美妙之处在于可以在柔软的塑料上放置太阳能电池，可以开发许多新颖的应用，如在柔软的衣服上放置电池等。 此外，近年来还出现了模拟叶绿素分子结构的材料。植物的天然叶绿素能将太阳能转化成化学能储存，其光能转化据此对其模拟。根据美国光热公司 A．M．Marks等人的理论计算 ，这种塑料薄膜光电池可以将太阳光的60％～80％转变为电能。虽然他们的设计仅是一种理论模型，在技术上实现有不小的难度，但他们的设计思想为太阳能电池的研究发展提供了新思路。
太阳能光电转换
太阳能材料能产生电流是因为光生伏特效应，即如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子－空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.5～0.6V。通过光照在界面层产生的电子－空穴对越多，电流越大。界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。
太阳能材料的国内发展状况
随着全球光伏产业的蓬勃发展，我国的太阳能光伏产业也迅速成长，中国已连续三年产量第一成为全世界第一大太阳能电池生产国。我国太阳能电池产业爆发式的发展，拉动对太阳能电池用硅材料的巨大市场需求，带动我国太阳能电池用多晶硅原料、单晶、铸锭、硅片产业快速发展壮大。金融危机以来，各国都将光伏产业作为新经济增长点予以扶持，光伏产业的发展逆势而上，不降反升。由于国际光伏市场的拉动，我国光伏电池制造业不扩产。下游光伏电池的扩产，造成对上游多晶硅材料的需求不断攀升，目前多晶硅企业仍不能满足国内的需求。
太阳能材料国际发展态势分析
对于太阳能材料的研究和开发，美国也不遗余力。美国总统布什于2006年度的《国情咨文》中宣布了“先进能源计划”，其中“阳光美国计划”是其重要组成部分。这个计划重点支持能有效降低成本、提高效率以及提高光伏可靠性的生产过程和产品的研究开发项目。2004年，美国太阳能产业协会（SEIA）拟定了一项到2030年的美国太阳能产业发展策略—“我们的太阳能未来：2030年及以后的美国光伏工业路线图”，并制定了到2025年由太阳能提供美国所有新增发电能力50%的目标。2007年，美国能源部明确了晶体硅光伏技术、非
晶体硅薄膜技术、晶体硅薄膜技术、碲化镉薄膜光伏技术、铜铟镓硒薄膜光伏技术、有机光伏技术、敏化纳米结构光伏技术、中间带能光伏技术、多重激子产生效应、纳米晶太阳电池、纳米结构等技术目前的研究现状以及未来的发展目标。欧盟、日本、英国也不甘示弱，在太阳能材料领域投入大量人力和物力。欧盟可再生能源研究署2005年发布了FP7可再生能源的优先研究领域，其中与太阳能材料相关的优先研究领域包括晶体硅技术、播磨材料、有机聚合物电池及Ⅲ—Ⅴ化合物电池、低成本存储材料等。早在1993年，日本政府便开始了规模庞大的“新阳光计划”。日本新能源产业技术综合开发机构2004年6月制定了“面向2030年光伏路线图概述”，设想到2030年将扩大太阳能的利用，家用电力的一半或整个电力的10%将来自太阳能。2007年8月，英国能源研究中心发布了英国光伏研究路线图，该路线图描绘了英国的光伏技术研究，包括光伏材料、电池及组件设计、制造和应用等，指出了英国基础研究的优势和劣势。
发展太阳能材料的意义
中国正在西部地区实施阳光发电工程，欧美有百万屋顶发电计划并在制定太空发电战略。这些宏伟工程的实施，都离不开太阳能材料生产和制造工艺的提高。如果能够利用太阳能电池发展太阳能电动汽车，不仅能节省大量化石燃料，而且能从根本上改善环境污染状况。太阳能电视、冰箱及太阳能加工技术，都具有广阔的市场，将给我国经济带来活力和新的经济增长点。
展 望
目前，虽然在改善太阳能电池的性能方面取得了一些进展，但有机太阳能电池的研究现状及成熟 程度相对于无机太阳能电池仍有很大差距，在今后的研究中，还应该更加深人地研究新的材料和新的结构，从而提高电池的能量转换效率，创造出适合应用的价格低廉有机太阳能电池。在研究有机太阳能电池时，我们可以借鉴研究无机材料的成熟技术及研究思路等，推进有机光伏材料的研究进展，并应用于器件，通过优化器件结构、改善材料性质等提高有机太阳能电池的综合性能。同时，有机材料与无机材料各有其优缺点，充分利用这两种材料优点制备有机/无机复合材料而应用于有机太阳能电池，将成为以后研究的热点。纳米 材料是由超微粒组成，且这些微粒边界区的体积大约是材料总体积的 50％，因此利用纳米材料组装有机太阳能电池，其特殊结构可能会使有机太阳能电池的研究取得较大进展。目前有机太阳能电池材料取得了很大的发展。有机太阳能电池材料具有价廉、高效、容易进行分子水平上的裁减和设计，生产工艺简单等优点，可以大胆地预测，成本低、效率高、工艺简单的有机太阳能电池在将来的商业化普及是必然的，它将成为世界能源中重要的有生力量。
参考文献：
【1】太阳能材料的研究和发展（沈辉、梁宗存、李戬洪）
【2】太阳能材料国际发展态势分析（冯瑞华、马廷灿、万勇、姜山、黄可、黄建）
【3】太阳能材料发展的新动向—夹层和多层复合材料（刘光署）
【4】太阳能利用及太阳能新材料发展状况（宋力昕、章俞之）
【5】中国电子材料网—2011年版中国太阳能电池及硅材料产业分析报告
【6】全球节能环保网
【7】黄春晖，李富友 ，黄岩谊 ．光电功能超薄膜 【M】．北京 ：北京大学出版社 ，2001．
【8】林鹏 ，张志峰，熊德平．有机太阳能电池研究进展 fJ]．光电子技术，2004(24)：55-60．
【9】张智，赵福群，张复实 ．全固态有机太阳能电池 [J]．化学通报，2oo5(11)：823．831
西安理工大学
微电子学
太阳能材料研究
摘要：主要介绍有机太阳能电池器件材料近年来的一些主要进展和取得的重大突破。首先对有机太阳能电池的原理及基本结构进行简单的介绍，然后对有机太阳能电池的核心有机材料部分进行了详细的介绍，最终得出结论：有机太阳能电池在将来得到商业化普及是发展的必然趋势，它将成为世界重要能源之一。
关键词：有机太阳能电池；有机材料；原理；结构
引言 随着全球经济的迅猛发展和人口的激增，以石油、天然气和煤等为主的化石能源被大量开采和利用，能源危机的阴影也正慢慢显露出来，寻找可替代的新能源成为人类所面临的重大问题。此外，化石燃料的大量使用也对环境造成了巨大破坏，大量温室气体的排放使全球温度升高，海平面上升。这些问题已成为威胁人类生存的危险因素。太阳有许多化石燃料所没有的优势：取之不尽，用之不竭；不排放任何温室气体，对坏境的影响极小，是一种绿色能源；太阳能分布极广且地域限制小。太阳能的种种优点，导致了人们在其开发上的大量投入。
太阳能材料 对太阳能的开发，离不开太阳能材料的研究和发展。太阳能材料是能将太阳能直接转换成电能的材料。太阳能材料又称光伏材料，只有半导体材料具有这种功能。太阳电池对材料的要求是转换效率高，能制成大面积的器件，以便更好地吸收阳光。因此，高的光电转换效率成为各研究机构和企业追逐的重点。可生产太阳电池的材料有单晶硅、非晶硅、GaAs、GaAlAs、lnP、CdS、CdTe等。用于空间的有单晶硅、GaAs、lnP。用于地面已批量生产的有单晶硅、多晶硅、非晶硅。其他尚处于开发阶段。目前致力于降低材料成本和提高转换效率，使太阳电池的电力价格与火力发电的电力价格竞争，从而为更广泛更大规模应用创造条件。
有机太阳能电池材料
有机小分子化合物 有机小分子光电转换材料具有低成本、可以加工成大面积的优点 ，同时有机小分子的合成、表征相对简单，化学结构容易修饰，可以根据需要增减功能基团，而且可以通过各种不同方式互相组合 ，以达到不同的使用目的。利用有机小分子材料可以恰当地模 拟生物体内功能分子的作用，给光电转换机理研究和 结构与眭能的关系研究带来了许多方便之处 f1”。 肖特基电池是最早期的有机太阳能电池 ，即在真空条件下把有机半导体染料如酞菁等蒸镀在基板上形成夹心式结构 。这类电池对于研究光电转换机理很有帮助，但是蒸镀薄膜的加工工艺比较复杂，有时候薄膜容易脱落，因此又发展了将有机染料半导体分散在聚碳酸酯 (PC)、聚醋酸乙烯酯 (PVAC)、聚乙烯卡唑 fPVK)等聚合物的技术。然而这些技术虽然能提高涂层的柔韧性 ，但半导体的含量相对较低 ， 使光生载流子减少，短路电流下降[121。 2001年 ，剑桥大学的 Friend等人在Science杂志上报道了利用共轭盘状液晶分子HBC PhC 作为电子给体和芘类化合物 PTCBI作为电子受体共同溶解于氯仿中，旋转涂膜，制成器件 ITO／ HBC2PhC】2：PTCBI／A1，在 490nm处外量子效率达 到 34％，能量转换效率达到 1．95％。
有机大分子
有机大分子材料是目前正在迅速崛起的一种新的光电转换材料，它的优点在于成本低，制作方便，24化工技术与开发第42卷易于推广普及。从发展趋势上来看，此类材料有望成为新一代的太阳能电池材料。1998年，Friend研究小组在聚合物光诱导电荷转移光电池的研
究获得了重大的发展，Nature杂志报道了他们用聚噻吩衍生物 POPT作为电子给体，用聚亚苯基乙烯取代碳60利用层压技术制成光电池器件所得双层器件结构的能量转换效率在模拟太阳光下为1.9％。 2003年 ，Takahashi等人将聚噻吩衍生物PTh与光敏剂卟啉 H2PC共混后与芘衍生物 PV制成双层膜器件，在430nm处的能量转换效率最高达到了2.91％。
有机无机杂化体系 2002年3月29日13 Science期刊上报导了加州大学化学家发明了一种新的方法 ，将有机太阳能电池涂在物体的表面上，为可携式电子设备及其他低耗电量电子设备提供电力。虽然此太阳能电池的能量转换效率只有1.7％，但它的美妙之处在于可以在柔软的塑料上放置太阳能电池，可以开发许多新颖的应用，如在柔软的衣服上放置电池等。 此外，近年来还出现了模拟叶绿素分子结构的材料。植物的天然叶绿素能将太阳能转化成化学能储存，其光能转化据此对其模拟。根据美国光热公司 A．M．Marks等人的理论计算 ，这种塑料薄膜光电池可以将太阳光的60％～80％转变为电能。虽然他们的设计仅是一种理论模型，在技术上实现有不小的难度，但他们的设计思想为太阳能电池的研究发展提供了新思路。
太阳能光电转换
太阳能材料能产生电流是因为光生伏特效应，即如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子－空穴对。界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.5～0.6V。通过光照在界面层产生的电子－空穴对越多，电流越大。界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。
太阳能材料的国内发展状况
随着全球光伏产业的蓬勃发展，我国的太阳能光伏产业也迅速成长，中国已连续三年产量第一成为全世界第一大太阳能电池生产国。我国太阳能电池产业爆发式的发展，拉动对太阳能电池用硅材料的巨大市场需求，带动我国太阳能电池用多晶硅原料、单晶、铸锭、硅片产业快速发展壮大。金融危机以来，各国都将光伏产业作为新经济增长点予以扶持，光伏产业的发展逆势而上，不降反升。由于国际光伏市场的拉动，我国光伏电池制造业不扩产。下游光伏电池的扩产，造成对上游多晶硅材料的需求不断攀升，目前多晶硅企业仍不能满足国内的需求。
太阳能材料国际发展态势分析
对于太阳能材料的研究和开发，美国也不遗余力。美国总统布什于2006年度的《国情咨文》中宣布了“先进能源计划”，其中“阳光美国计划”是其重要组成部分。这个计划重点支持能有效降低成本、提高效率以及提高光伏可靠性的生产过程和产品的研究开发项目。2004年，美国太阳能产业协会（SEIA）拟定了一项到2030年的美国太阳能产业发展策略—“我们的太阳能未来：2030年及以后的美国光伏工业路线图”，并制定了到2025年由太阳能提供美国所有新增发电能力50%的目标。2007年，美国能源部明确了晶体硅光伏技术、非
晶体硅薄膜技术、晶体硅薄膜技术、碲化镉薄膜光伏技术、铜铟镓硒薄膜光伏技术、有机光伏技术、敏化纳米结构光伏技术、中间带能光伏技术、多重激子产生效应、纳米晶太阳电池、纳米结构等技术目前的研究现状以及未来的发展目标。欧盟、日本、英国也不甘示弱，在太阳能材料领域投入大量人力和物力。欧盟可再生能源研究署2005年发布了FP7可再生能源的优先研究领域，其中与太阳能材料相关的优先研究领域包括晶体硅技术、播磨材料、有机聚合物电池及Ⅲ—Ⅴ化合物电池、低成本存储材料等。早在1993年，日本政府便开始了规模庞大的“新阳光计划”。日本新能源产业技术综合开发机构2004年6月制定了“面向2030年光伏路线图概述”，设想到2030年将扩大太阳能的利用，家用电力的一半或整个电力的10%将来自太阳能。2007年8月，英国能源研究中心发布了英国光伏研究路线图，该路线图描绘了英国的光伏技术研究，包括光伏材料、电池及组件设计、制造和应用等，指出了英国基础研究的优势和劣势。
发展太阳能材料的意义
中国正在西部地区实施阳光发电工程，欧美有百万屋顶发电计划并在制定太空发电战略。这些宏伟工程的实施，都离不开太阳能材料生产和制造工艺的提高。如果能够利用太阳能电池发展太阳能电动汽车，不仅能节省大量化石燃料，而且能从根本上改善环境污染状况。太阳能电视、冰箱及太阳能加工技术，都具有广阔的市场，将给我国经济带来活力和新的经济增长点。
展 望
目前，虽然在改善太阳能电池的性能方面取得了一些进展，但有机太阳能电池的研究现状及成熟 程度相对于无机太阳能电池仍有很大差距，在今后的研究中，还应该更加深人地研究新的材料和新的结构，从而提高电池的能量转换效率，创造出适合应用的价格低廉有机太阳能电池。在研究有机太阳能电池时，我们可以借鉴研究无机材料的成熟技术及研究思路等，推进有机光伏材料的研究进展，并应用于器件，通过优化器件结构、改善材料性质等提高有机太阳能电池的综合性能。同时，有机材料与无机材料各有其优缺点，充分利用这两种材料优点制备有机/无机复合材料而应用于有机太阳能电池，将成为以后研究的热点。纳米 材料是由超微粒组成，且这些微粒边界区的体积大约是材料总体积的 50％，因此利用纳米材料组装有机太阳能电池，其特殊结构可能会使有机太阳能电池的研究取得较大进展。目前有机太阳能电池材料取得了很大的发展。有机太阳能电池材料具有价廉、高效、容易进行分子水平上的裁减和设计，生产工艺简单等优点，可以大胆地预测，成本低、效率高、工艺简单的有机太阳能电池在将来的商业化普及是必然的，它将成为世界能源中重要的有生力量。
参考文献：
【1】太阳能材料的研究和发展（沈辉、梁宗存、李戬洪）
【2】太阳能材料国际发展态势分析（冯瑞华、马廷灿、万勇、姜山、黄可、黄建）
【3】太阳能材料发展的新动向—夹层和多层复合材料（刘光署）
【4】太阳能利用及太阳能新材料发展状况（宋力昕、章俞之）
【5】中国电子材料网—2011年版中国太阳能电池及硅材料产业分析报告
【6】全球节能环保网
【7】黄春晖，李富友 ，黄岩谊 ．光电功能超薄膜 【M】．北京 ：北京大学出版社 ，2001．
【8】林鹏 ，张志峰，熊德平．有机太阳能电池研究进展 fJ]．光电子技术，2004(24)：55-60．
【9】张智，赵福群，张复实 ．全固态有机太阳能电池 [J]．化学通报，2oo5(11)：823．831