有机薄膜太阳能电池的结构与制作技术

藉助π共轭高分子与电子受体分子的混合比例、溶剂的种类、涂敷的方法以及大气、溶剂的挥发条件等，可以改变整块异质结的结构。可将这些参数控制到一定程度，还要考虑相分离的尺寸和均匀性以及电荷的输送。对于这样的整块异质结相分离结构的控制，是提高发电效率不可缺少的重要因素。不断尝试着对这一相分离结构用块状（block）共重合体控制的方法。利用共重合体的高分子链分子量和亲、疏水性等性质，块状共重合体可周期地构建成纳米级的高分子相分离结构。块状共重合体中，相分离尺寸为10nm～数十nm左右，与由π共轭高分子和低分子的电子受体分子构成的相分离结构相同，当然可实现以下的致密结构。现正处于材料合成的试制阶段。这种材料不能达到顶级的发电效率，无法构建按微相分离结构设置电极，还须进一步研究相分离结构内部的电荷输送等。而且，电荷输送和耐久性，与材料纯度有很大的依赖关系，故从材料精加工方面考虑，也应予以验证。

激励子向整块异质结结构内部扩散，到达p-n结界面之际的电子受体分子，其电子拔出强度对OTFSC的电荷生成很重要。氧化钛和氧化锌等金属氧化物具有电子受容性（从有机分子拔出电子的氧化作用），图3所示，由金属氧化物和π共轭高分子形成异质结接合界面，藉此可以构成太阳能电池。这一场合下，通过金属氧化物强烈的氧化作用，在π共轭高分子内形成了多数阳离子游离基。作为迅速地空穴输送，阳离子游离基有利于正电荷的形成。金属氧化物的氧化作用与π共轭高分子的空穴移动程度，在时间上差异小最理想。

图3 采用多孔质金属氧化物的OTFSC

3.2 开路电压的改善

有机薄膜太阳能电池的电压被认为是：起因于π共轭高分子的HOMO（最大占有分子轨道）级与电子受体分子的LUMO（最小非占有分子轨道）级之级差。以图1为例，对应于两个能级的级差，实际得到的开路电压0.6V相当小，考虑是电压损耗等若干原因。可大致区分为基于内部阻抗的Ω损耗和基于电荷再结合（逆向流动的漏泄电流）损耗。

一般的太阳能电池能，用图4所示等值电路表示。从这一等值电路可知，串联阻抗大和并联阻抗小、电流泄露的场合下，从外部取出的电压降低，从而，应尽可能减小相当于串联阻抗的界面接触电阻和电极薄片阻抗等。而且，生成的电荷有助于有机薄膜的内部电场，并各自输送空穴和电子。整块异质结的结构，对π共轭高分子与电子受体分子两方面与电极接合的可能性大，产生反向电流的可能性高。

图4 OFTSC的等值回路

作为串联阻抗之一的界面，为减小界面的接触电阻，整块异质结薄膜形

成后进行后置性缓冷（post anneal）是有效的。一旦缓冷至π共轭高分子的玻璃转移温度以上，聚合物薄膜与电极间存在的结构缺陷等就会得到缓解，并减小了接触电阻。在以蒸着低分子的OTFSC和非晶硅太阳能电池为首的无机薄膜太阳电池中，利用这一结构缺陷的缓解以达到性能改善，具有前所未见的效果。

对反向电流的抑制，如图5所示，藉设置金属氧化物薄膜能予以改善。在负极的铝与整块异质结薄膜间，设置非晶的氧化钛，能抑制从负极空穴的漏泄。这一氧化钛薄膜相对于π共轭高分子，作为电子受体功能，不仅有防止逆电流的作用，而且能改善电荷的生成。另一方面，在正极侧将氧化镍薄膜设置在电极与整块异质结薄膜之间，则能抑制电子的漏泄。氧化镍的厚度10nm最佳。详细的机理研究等尚不充分，有待今后验证。

图5 设置金属氧化物薄膜的事例：（a）含空穴阻挡层的横断面；（b）含电子阻挡层的横断面

4 有机薄膜太阳电池的大型化与柔性化

OTFSC光电转换率超过4%的事例始见报导，这些报导中电池的受光面积局限在极小的面积上，现状是在0.25M²以下。这在晴天时通过功率换算还不足1mW。能达到实用有效功率的电池制造技术是目前的研究课题。OTFSC的理论效率一般认为约16%。预测能实用的，不是大功率的太阳能发电，而是充分利用可见光线吸收强度大的室内用太阳能电池。已试制了采用柔性基板的光伏电源，柔性OTFSC的试制品如图6所示。

图6 柔性OTFSC的试制品

试制的柔性OTFSC的功率约60mW，在性能上还并不充分，用玻璃基板比柔性基板能提高4倍左右的功率。

① 试制品中采用了并联升压型结构。因太阳能电池不能对应于瞬时的功率变动，故太阳能电池的功率一旦升压，利用锂（Li）二次电池贮能方式，能跟踪瞬时的功率变动。

② 基板的平整性和气孔等对OTFSC性能影响大，今后应加强对室内照明等供电系统的基础研究，力图将OTFSC向室内供电系统拓宽应用。

5 结束语

有机薄膜太阳能电池作为下一代太阳