主题：【原创】有机太阳能电池技术简介 -- fullerene

1979年之后，有机太阳能电池的效率在十多年内没有什么提高，邓青云博士的研究也从太阳能电池转向了有机发光二极管（OLED）并成为这项技术的鼻祖。

进入90年代后，Alan J Heeger教授领导的实验室在提高效率方面作出了很多贡献。先是在1992年的时候，Heeger实验室里的一位土耳其博士后Sariciftci发现，导电高分子与富勒烯（C60）之间的光致电子传输速度非常快，达到了皮秒量级；而常温下有机半导体的载流子寿命一般为几百微秒到几个毫秒。也就是说，有机半导体材料对富勒烯的电子注入效率非常高，只要光生激子可以迁移到有机半导体与富勒烯的界面上，那么它就能通过把电子注入到富勒烯而实现将近100％的电荷分离。

以这个发现为基础，1995年Heeger实验室的中国学者俞刚制作了以MEH-PPV和PCBM（富勒烯的一种可溶性衍生物）复合膜为基础的有机太阳能电池，其光电转化效率提升到2.9％。2001年，亚利桑那大学的Shaheen采用了另一种导电高分子MDMO-PPV为电子给体，实现了4.1％的光电转化效率。2005年，Heeger实验室采用P3HT，并对电池进行退火处理，得到了5％的转化效率；在同一年，Forrest实验室利用铜酞菁/C$_{60}$双层膜结构也获得了5％的转化效率。2009年初，通过新的分子设计（如嵌段聚合物PCDTBT）及光学隔层设计，Heeger实验室又取得了6.1％的转化效率。而就在2009年7月，美国的Solarmer公司又公布了6.8％的光电转化效率，不过他们没有公布电池配方。

从图1看，随着创新公司的加入，有机太阳能电池的光电转化效率正处在一个加速上升的过程中。

图1：有机太阳能电池的效率提高曲线

要解释清楚这些改进过程的技术原理，应当从材料的性质入手。如有机半导体材料一节所述，有机半导体材料分为高分子型（导电高分子）和小分子型（共轭小分子）两种，这两种材料的优缺点如下：

高分子材料

优点：

通常高分子半导体材料可溶于普通溶剂，因此可以用溶液方法（包括喷涂法、丝网印刷法、滚筒印刷法等）制造太阳能电池。采用溶液方法生产，所需设备简单，生产成本低廉，与第一代和第二代太阳能电池的制造方法相比优势非常明显。

缺点：

高分子材料的分子分散度高，不易提纯，而且载流子迁移率偏低；高性能的导电高分子材料结构较为复杂，合成成本较高；高分子材料的吸光率比较低，必须采用较厚的薄膜才能将入射光完全吸收。而增加薄膜的厚度意味着将增加激子和载流子的传输距离，从而降低光电转化的效率。这是一个两难的问题。

小分子材料

优点：

有机小分子容易合成，容易提纯，因而材料成本比高分子要低。也因为有机小分子纯度更高，其载流子迁移率也比高分子更高些。而且由于分子结构的特点，有机小分子材料的吸光率通常远远高于高分子材料，因而制造电池的时候不需要费心地去制造并维持混合异质结结构。大多数小分子电池的构造是像\autoref{BHJ}甲那样的双层膜结构。因此小分子有机太阳能电池的寿命较长。

缺点：

由于分子结构过于刚性化，通常有机小分子不能溶解于普通溶剂，因此小分子有机太阳能电池就无法通过溶液方法进行制造，而必须通过真空蒸镀来制造。真空蒸镀法所需真空度较高，因而制造过程耗能较大（抽真空很耗电）。而且高真空室的存在会阻断连续的生产线，影响生产速度。

在图1里所显示的轨迹点，除了邓青云和Forrest的电池之外，都属于导电高分子型太阳能电池。在这些高分子太阳能电池的结构设计中，为了解决前述吸光度和载流子传输的“两难”的问题，研究人员所采取的方法都是将电池做成混合异质结，如\图2乙所示。将给体材料和受体材料互相穿插在一起，可以尽量扩大两种材料的接触面积，并缩短激子扩散到给体/受体界面上所需穿越的距离。俞刚博士首创的MEH-PPV/PCBM复合膜，就是一种典型的混合异质结结构。对高分子太阳能电池效率提高的研究因而多集中在给体－受体互空结构的形貌控制以及稳定化上（详见电池工作寿命一节)。

图2：（甲）双层膜有机太阳能电池结构示意图，（乙）混合异质结有机太阳能电池结构示意图

对于有机小分子太阳能电池，因为不存在吸光度和载流子传输能力的冲突，这些年来研究的重点多放在材料的掺杂、电池内光场分布的控制、电池缓冲层的能级匹配设计等方面。2009年5月，德国的Heliatek公司也公布了一个效率为5.9％的小分子有机太阳能电池，亦见于图1。