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[摘要]有机太阳能电池因其具有制备简单、成本低、质量轻、可制备成柔性器件等突出优点，而显示了巨大的开发潜力。文章对有机太阳能电池进行了简单介绍，并对它的未来发展趋势作了简要描述。
[关键词]能源材料有机太阳能电池转换效率
中图分类号：TE0 文献标识码：TE 文章编号：1009―914X（2013）31―0275―02
引言
随着世界人口的不断增长和经济的高速发展以及工业化的进程，对能源的需求越来越大，传统的煤、石油、天然气等常规能源不仅储量非常有限，预计在不久的将来将会消耗殆尽，而且在消耗过程中排放大量温室气体和有毒气体，人类的生存环境遭到破坏性的污染。在华盛顿召开的一次学术会议上，诺贝尔奖得主Smalley教授列出今后几十年中人类面临最严重的10个问题，能源和环境均列其中，且能源问题位居首位。要保障世界经济又快又好发展，能源问题亟待解决。
太阳能是一种理想的新型能源，清洁干净，无污染，且储量大，取之不尽用之不竭，是一种真正意义上的“绿色能源”，充满诱人的前景。将太阳能转换为电能是解决能源危机和环境污染的重要途径之一，因此太阳能电池的研究、开发和推广倍受世界各国的关注。
1954年贝尔实验室Chapin.D.M等人制作了光电转换效率为6%单晶硅太阳能电池，开创了光电转换的先河，也标志着商业化太阳能电池研究的开始，之后关于太阳能电池的研究迅速发展起来。到了20世纪70年代，用于卫星的半导体硅太阳能电池问世，虽然其光电转换效率有了很大提高，但硅系太阳能电池材料纯度要求很高且制作工艺复杂、成本高、污染大，难以大规模生产。而有机太阳能电池的材料来源广泛，制作成本低、耗能少，可弯曲、易于大规模生产等突出优势，显示出了巨大的开发潜力，成为近些年来世界各国众多高校和科研单位研究的热点。
一、有机太阳能电池的基本原理
太阳能电池就是将太阳能转化为电能的装置。其工作原理是利用光电材料的光生伏特效应完成能量转换，基本物理过程如图所示：
主要包括：
（1）光的吸收和激子的产生在光的照射下，有机半导体吸收一定能量的光子后就会激发电子从最高占据分子轨道（HOMO）跃迁到最低未占分子轨道（LUMO），而在HOMO处留出空位，这一空位被称为空穴，带有正电荷。这种受入射光子激发而形成的电子——空穴对即为激子。
（2）激子的扩散和解离激子产生后因浓度的差异而在材料中扩散。当激子到达给体受体界面时，在那里将电子转移到受体的LUMO能级上，从而实现激子分离。
（3）载流子的收集激子被分离后而产生的自由载流子必须被正负电极收集才能够产生电能，有机太阳能电池器件中，两极由功函数不同的材料做成的。这样在内建电场的作用下，空穴、电子分别到达阳极、阴极而被收集。
二、有机太阳能电池性能的评价指标
表征有机太阳能能电池性能的参数主要有以下五个：
（1）开路电压（Uoc）：一定光照条件下，太阳能电池正负极断开（电池输出电流为0）时的电压，即太阳能电池的最大输出电压。
（2）短路电流（Isc）：一定光照条件下，太阳能电池正负极短路（电池输出电压为0）时的电流，即太阳能电池的最大输出电流。
（3）填充因子（FF）：定义为 式中Pmax为电池单位面积上的最大输出功率，Uoc、Isc分别为开路电压和短路电流。
（4）光电转换效率（PCE）：是太阳能电池单位受光面积的最大输出功率（Pmax）与入射的太阳光能量密度（Pin）的比值：
表明入射光的能量有多少转化为有效的电能。
（5）外量子效率（EQE）：又称载流子收集效率或入射光子-电子转化效率。
定义为：
三、有机太阳能电池的性能改善
随着对有机电子学研究的深入，如何提高有机太阳能电池的能量转换效率成为太阳能电池研究的关键。要能很好地提高有机太阳能电池的性能：一方面研发具有合适能级结构、窄的能隙、良好的载流子迁移速率的有机半导体材料来实现。目前，聚合物太阳能能电池研究中使用较多的材料主要有聚3-己基噻吩、聚（3，4-二氧乙烯基噻吩）等。开发低帯隙聚合物以拓宽对太阳光更好的吸收，同时通过对聚合物分子结构的设计来控制材料共混体系中相分离，获得有效的电荷分离与传输，以便提高有机太阳能电池的光电转换效率。近几年来，人们已经成功的研发了几种性能优越的低带隙聚合物太阳能电池材料并应用在太阳能电池中，使太阳能电池的光电转换效率有了明显的提高。另一方面，通过合理设计太阳能电池的器件结构来提高其性能：
（1）利用纳米线阵列来改善电荷的有效分离与传输。有机半导体材料中激子的寿命很短，扩散长度一般为10—20nm，很多激子还未扩散到给体受体界面就已经复合了；另外，有机太阳能电池经常采用本体异质结结构，在活性层区域内没有形成连通网络，载流子无法畅通传输，从而使光电流降低。为了改善这一状况，不少研究者设想在有机半导体活性层中构建出一些高度有序规则排列的纳米结构，既可以使电子给体受体有充分的接触界面，尽量避免激子的过早淬灭，又可以使电子和空穴能够沿各自的通道顺利地到达相应的电极。下图为有机半导体活性层中形成的纳米结构。
利用这种结构可以实现激子的有效分离及载流子的良好运输，有望制出高效的有机太阳能电池器件。
（2）利用层状结构改善有机太阳能电池的光电转换效率。现有的用于制备有机太阳能电池的有机半导体材料都不能吸收太阳光谱中所有波长的光，只能对某一波长范围内的光产生响应。这就降低了对太阳光的利用率，导致现有的太阳能电池光电转换效率较低。为此，有研究者设计出了有机太阳能电池的层状结构器件：把能响应不同太阳光谱带的两个或多个太阳能电池单元串联起来，使整合后的太阳能电池器件能对太阳光谱有更广的响应范围，提高对太阳光的利用率，进而更好地改善有机太阳能电池的光电转换效率。
四、有机太阳能电池的前景展望
近几年来，世界各国政府都对太阳能电池的研究加大了扶持力度，因而其得到迅猛发展。国际上报道的有机太阳能电池的最高转换效率在2009年12月时是7.9%，但到2013年已经达到10.7%。下表列出了近两年有机太阳能电池光电转换效率的发展历程。
近几年来国际上已报道的有机太阳能电池光电转换效率的发展情况
公司（机构）名称 日期 效率
美国Solarmer公司 2009年12月 7.9%
朔荣有机光电科技公司（Solarmer Energy Inc.） 2010年 7月 8.13%
科纳卡公司（Konarka） 2010年11月 8.30%
三菱化学（Mitsubishi Chemical） 2011年 4月 9.2%
赫里阿泰克公司（Heliatek） 2013年1月 10.7%
总之，有机太阳能电池的研究取得了很大的进步，这使人类对太阳能的利用向前迈进了一大步。虽然与传统的无机太阳能电池相比还存在一些不足，其光电转换效率、稳定性和使用寿命是目前亟需解决的问题。但随着人们对有机太阳能电池研究的不断深入，带隙窄、电导率高等新型有机半导体材料将会不断地研发出来，同时对工艺技术进行改进，对器件结构进行优化，将更好地提升有机太阳能电池的性能。更为重要的是有机太阳能电池因其：①材料来源广泛，②有机半导体材料合成工艺简单，制作成本低、耗能少，无污染，③容易进行物理改性，有多种途径可以改变和提高对太阳光谱的吸收能力，并提高载流子的传输能力，④制作的结构多元化、可弯曲、易于大规模生产等独特的优势而必将成为世界能源中重要的有生力量。我们相信随着世界各国对有机太阳能电池的不断研发成功和产业化，有机太阳能电池的应用将会给人类社会带来巨大变革。
参考文献
[1] 徐新军等. 有机太阳能电池简介及产业化前景新材料产业 2011（11） 43
[2] 张福俊.有机太阳能电池的工作原理及研究进展 物理教学2010 （10） 32
[3] 李炳田等. 有机太阳能电池研究进展中山大学学报2003（6）42
[4] Liang Y，Xu Z，Xia J，et al.For the Bright Future—Bulk Heterojunction Polymer Solar Cells with Power Conversion Efficiency of 7.4%[J].Adv.Mater.，2010，22（20）：E135-E138.
[5] Service R F.Outlook Brightens for Plastic Solar Cells[J].Science，2011，332（6027）：293.
[6] DOU L，YOU J B，YANG J，et al. Tandem polymer solar cells featuring a spectrally matched low-bandgap polymer [J]. Nat Photonics，2012，6：180-185.
[7] Günes S，Neugebauer H，Sariciftci N S.Conjugated Polymer-Based Organic Solar Cells[J].Chem.Rev.，2007，107（4）：1324-1338.
[8] Hoppe H，Sariciftci N S.Polymer Solar Cells[J].Adv.Polym.Sci.，2008，214：1-86.
[关键词]能源材料有机太阳能电池转换效率
中图分类号：TE0 文献标识码：TE 文章编号：1009―914X（2013）31―0275―02
引言
随着世界人口的不断增长和经济的高速发展以及工业化的进程，对能源的需求越来越大，传统的煤、石油、天然气等常规能源不仅储量非常有限，预计在不久的将来将会消耗殆尽，而且在消耗过程中排放大量温室气体和有毒气体，人类的生存环境遭到破坏性的污染。在华盛顿召开的一次学术会议上，诺贝尔奖得主Smalley教授列出今后几十年中人类面临最严重的10个问题，能源和环境均列其中，且能源问题位居首位。要保障世界经济又快又好发展，能源问题亟待解决。
太阳能是一种理想的新型能源，清洁干净，无污染，且储量大，取之不尽用之不竭，是一种真正意义上的“绿色能源”，充满诱人的前景。将太阳能转换为电能是解决能源危机和环境污染的重要途径之一，因此太阳能电池的研究、开发和推广倍受世界各国的关注。
1954年贝尔实验室Chapin.D.M等人制作了光电转换效率为6%单晶硅太阳能电池，开创了光电转换的先河，也标志着商业化太阳能电池研究的开始，之后关于太阳能电池的研究迅速发展起来。到了20世纪70年代，用于卫星的半导体硅太阳能电池问世，虽然其光电转换效率有了很大提高，但硅系太阳能电池材料纯度要求很高且制作工艺复杂、成本高、污染大，难以大规模生产。而有机太阳能电池的材料来源广泛，制作成本低、耗能少，可弯曲、易于大规模生产等突出优势，显示出了巨大的开发潜力，成为近些年来世界各国众多高校和科研单位研究的热点。
一、有机太阳能电池的基本原理
太阳能电池就是将太阳能转化为电能的装置。其工作原理是利用光电材料的光生伏特效应完成能量转换，基本物理过程如图所示：
主要包括：
（1）光的吸收和激子的产生在光的照射下，有机半导体吸收一定能量的光子后就会激发电子从最高占据分子轨道（HOMO）跃迁到最低未占分子轨道（LUMO），而在HOMO处留出空位，这一空位被称为空穴，带有正电荷。这种受入射光子激发而形成的电子——空穴对即为激子。
（2）激子的扩散和解离激子产生后因浓度的差异而在材料中扩散。当激子到达给体受体界面时，在那里将电子转移到受体的LUMO能级上，从而实现激子分离。
（3）载流子的收集激子被分离后而产生的自由载流子必须被正负电极收集才能够产生电能，有机太阳能电池器件中，两极由功函数不同的材料做成的。这样在内建电场的作用下，空穴、电子分别到达阳极、阴极而被收集。
二、有机太阳能电池性能的评价指标
表征有机太阳能能电池性能的参数主要有以下五个：
（1）开路电压（Uoc）：一定光照条件下，太阳能电池正负极断开（电池输出电流为0）时的电压，即太阳能电池的最大输出电压。
（2）短路电流（Isc）：一定光照条件下，太阳能电池正负极短路（电池输出电压为0）时的电流，即太阳能电池的最大输出电流。
（3）填充因子（FF）：定义为 式中Pmax为电池单位面积上的最大输出功率，Uoc、Isc分别为开路电压和短路电流。
（4）光电转换效率（PCE）：是太阳能电池单位受光面积的最大输出功率（Pmax）与入射的太阳光能量密度（Pin）的比值：
表明入射光的能量有多少转化为有效的电能。
（5）外量子效率（EQE）：又称载流子收集效率或入射光子-电子转化效率。
定义为：
三、有机太阳能电池的性能改善
随着对有机电子学研究的深入，如何提高有机太阳能电池的能量转换效率成为太阳能电池研究的关键。要能很好地提高有机太阳能电池的性能：一方面研发具有合适能级结构、窄的能隙、良好的载流子迁移速率的有机半导体材料来实现。目前，聚合物太阳能能电池研究中使用较多的材料主要有聚3-己基噻吩、聚（3，4-二氧乙烯基噻吩）等。开发低帯隙聚合物以拓宽对太阳光更好的吸收，同时通过对聚合物分子结构的设计来控制材料共混体系中相分离，获得有效的电荷分离与传输，以便提高有机太阳能电池的光电转换效率。近几年来，人们已经成功的研发了几种性能优越的低带隙聚合物太阳能电池材料并应用在太阳能电池中，使太阳能电池的光电转换效率有了明显的提高。另一方面，通过合理设计太阳能电池的器件结构来提高其性能：
（1）利用纳米线阵列来改善电荷的有效分离与传输。有机半导体材料中激子的寿命很短，扩散长度一般为10—20nm，很多激子还未扩散到给体受体界面就已经复合了；另外，有机太阳能电池经常采用本体异质结结构，在活性层区域内没有形成连通网络，载流子无法畅通传输，从而使光电流降低。为了改善这一状况，不少研究者设想在有机半导体活性层中构建出一些高度有序规则排列的纳米结构，既可以使电子给体受体有充分的接触界面，尽量避免激子的过早淬灭，又可以使电子和空穴能够沿各自的通道顺利地到达相应的电极。下图为有机半导体活性层中形成的纳米结构。
利用这种结构可以实现激子的有效分离及载流子的良好运输，有望制出高效的有机太阳能电池器件。
（2）利用层状结构改善有机太阳能电池的光电转换效率。现有的用于制备有机太阳能电池的有机半导体材料都不能吸收太阳光谱中所有波长的光，只能对某一波长范围内的光产生响应。这就降低了对太阳光的利用率，导致现有的太阳能电池光电转换效率较低。为此，有研究者设计出了有机太阳能电池的层状结构器件：把能响应不同太阳光谱带的两个或多个太阳能电池单元串联起来，使整合后的太阳能电池器件能对太阳光谱有更广的响应范围，提高对太阳光的利用率，进而更好地改善有机太阳能电池的光电转换效率。
四、有机太阳能电池的前景展望
近几年来，世界各国政府都对太阳能电池的研究加大了扶持力度，因而其得到迅猛发展。国际上报道的有机太阳能电池的最高转换效率在2009年12月时是7.9%，但到2013年已经达到10.7%。下表列出了近两年有机太阳能电池光电转换效率的发展历程。
近几年来国际上已报道的有机太阳能电池光电转换效率的发展情况
公司（机构）名称 日期 效率
美国Solarmer公司 2009年12月 7.9%
朔荣有机光电科技公司（Solarmer Energy Inc.） 2010年 7月 8.13%
科纳卡公司（Konarka） 2010年11月 8.30%
三菱化学（Mitsubishi Chemical） 2011年 4月 9.2%
赫里阿泰克公司（Heliatek） 2013年1月 10.7%
总之，有机太阳能电池的研究取得了很大的进步，这使人类对太阳能的利用向前迈进了一大步。虽然与传统的无机太阳能电池相比还存在一些不足，其光电转换效率、稳定性和使用寿命是目前亟需解决的问题。但随着人们对有机太阳能电池研究的不断深入，带隙窄、电导率高等新型有机半导体材料将会不断地研发出来，同时对工艺技术进行改进，对器件结构进行优化，将更好地提升有机太阳能电池的性能。更为重要的是有机太阳能电池因其：①材料来源广泛，②有机半导体材料合成工艺简单，制作成本低、耗能少，无污染，③容易进行物理改性，有多种途径可以改变和提高对太阳光谱的吸收能力，并提高载流子的传输能力，④制作的结构多元化、可弯曲、易于大规模生产等独特的优势而必将成为世界能源中重要的有生力量。我们相信随着世界各国对有机太阳能电池的不断研发成功和产业化，有机太阳能电池的应用将会给人类社会带来巨大变革。
参考文献
[1] 徐新军等. 有机太阳能电池简介及产业化前景新材料产业 2011（11） 43
[2] 张福俊.有机太阳能电池的工作原理及研究进展 物理教学2010 （10） 32
[3] 李炳田等. 有机太阳能电池研究进展中山大学学报2003（6）42
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[6] DOU L，YOU J B，YANG J，et al. Tandem polymer solar cells featuring a spectrally matched low-bandgap polymer [J]. Nat Photonics，2012，6：180-185.
[7] Günes S，Neugebauer H，Sariciftci N S.Conjugated Polymer-Based Organic Solar Cells[J].Chem.Rev.，2007，107（4）：1324-1338.
[8] Hoppe H，Sariciftci N S.Polymer Solar Cells[J].Adv.Polym.Sci.，2008，214：1-86.