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浅谈有机太阳能电池与无机太阳能电池
杨红旭 10013203
测绘工程10级2班
摘要：有机太阳能电池作为一种新兴的有着巨大潜力的光电转换器件，吸引了越来越多的关注。本文主要比较有机太阳能电池与无机太阳能电池在生产成本、工作原理和光电转换效率等方面的区别。并展望了有机太阳能电池发展的广阔前景。
关键词：有机太阳能电池 无机太阳能电池 生产成本 工作原理 光电转换率
一、 引言
现今占主导地位的太阳能电池是以无机半导体为主要材料制成，自太阳能电池商业应用以来，单晶硅、多晶硅和非晶硅系列应用最为广泛。经过多年来的发展，硅基太阳能电池相关的技术已有了长足的进步，但依然没有脱离通过氧化－还原反应来提纯硅的方法，这一过程必然会使晶体硅太阳能电池制造能耗大、污染高、工艺复杂且生产设备昂贵。而有机半导体材料由于具有制作成本低、易制作、质量轻、富有弹性等特点，引起越来越多的关注，目前学者已在研究如何在电子器件中将现有的昂贵无机半导体材料用有机半导体材料加以代替，其中就包括有机太阳能电池的研究。本文就有机太阳能电池与无机太阳能电池在生产成本、工作原理和光电转换效率等方面的区别做简单的分析。并展望了有机太阳能电池发展的广阔前景。
二、 生产成本
2.1无机太阳能电池的生产成本
晶体硅太阳电池成本受生产规模和技术水平影响，各个企业生产消耗有较大差别，我们以每100W，硅太阳电池行业大致平均消耗水平来计算评估晶体硅太阳电池生产消耗。IOOW 功率硅太阳电池计算的材料消耗见表1。
表1 100W 晶体硅太阳电池的材料消耗情况表

注：表1消耗品体硅材料是指托制的单晶和铸锭多品硅，消耗多品硅材料是指生产上述单品和铸锭多品硅需要的太阳能级多品硅材料。
根据表1我们可以看出，单品硅太阳电池材料消耗晶体硅达到1500～1 600g／J00峰瓦，而多品硅太阳电池仅消耗多品硅l 100～1 300g／100峰瓦。根据行业平均消耗计算的100峰瓦功率硅太阳电池的制造能源参考值见表2；其中包括，材料制造能耗、晶体硅太阳电池切片、表面材料、扩散、封装的能耗(有关计算过程略)。单晶硅电池消耗更多原料和拉单品时等径过程时间略长，是导致其能耗较高的原因。
表2 IOOW晶体硅太阳电池的生产制造能耗参考值

2.2有机太阳能电池的成产成本
有机太阳能电池中的NPC材料主要是纳米TiO2以及有机复合材料，二者的成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，现在的有机太阳能电池的成本平均为硅基太阳能电池的10%-20%。
三、 工作原理
3.1无机太阳能电池的工作原理
无机太阳能电池在光照作用下产生电子- 空穴对, 在p - n 结附近形成的内电场的作用下, 电子-空穴对被分离并分别传输到两极, 在两极间产生电势, 称为光伏效应, 如图2所示。对于绝大多数无机光电池而言, 光生载流子的理论解释是基于半导体材料的能带理论。

图2 光生伏特效应
3.2有机太阳能电池的工作原理
有机太阳能电池的实现主要依赖于有机半导体材料中的光电转换功能。这些材料都有着一个共同的电子结构，即共轭π电子。由碳原子的单键和双键交替形成的体系称为共轭体系。在共轭体系中，每一个碳原子有几个等价的相互作用较强的α电子和一个相互作用较弱的π电子，并且π电子与这几个α电子所在的平面是垂直的。由于π电子之间的相互作用较弱，它们会形成光学带隙较大的成键态和反键态，分别对应于最高已占轨道和最低未占轨道，类似于无机半导体中的导带和价带。
由于共轭有机半导体材料的导电机理与无机半导体有所不同, 因此, 有机太阳能电池与无机太阳能电池的载流子产生过程有所不同。聚合物吸收光子产生激子, 激子只有离解成自由载流子(电子和空穴)才能产生光电流。一种被广泛接受的观点是,有机太阳能电池的作用过程由三个步骤 : 1)光激发产生激子; ( 2)激子在给体/受体( D /A )界面的分裂; ( 3)电子和空穴的漂移及其在各自电极的收集。
四、光电转换率
4.1无机太阳能电池的光电转换率
硅系太阳能电池光电转换效率的理论极限值为25% , 效率提高潜力有限。近年来, 以GaAs、GaSb、GaInP、CuInSe2、CdS和CdTe 等[为代表的新型多元化合物太阳能电池取得了较高的光电转换效率, GaA s电池的转换效率目前已经达到30% 。而G a、In等为比较稀有的元素, Cd等为有毒元素, 因此, 这类电池的发展必然将受到资源、环境的限制。
4.2有机太阳能电池的光电转换率
提高光电转换效率最直接的方法是研究新材料。２００９年Ｓｕｎｇ　Ｈｅｕｍ　Ｐａｒｋ采用ＰＣＤＴＢＴ和ＰＣ７０ＢＭ混合制成太阳能电池，其表现出了很好的性能，填充因子为０．６６，光电转换效率为６．１％，并且内量子效率几乎接近１００％。Ｈｓｉａｎｇ－Ｙｕ　Ｃｈｅｎ使用ＰＢＤＴＴＴ作为给体材料，然后在此基础上加入不同电子受体官能团，比较相应的太阳能电池性能，经国家可再生能源实验室证实，光电转换效率最高可达到６．７７％。２０１０年Ｙｏｎｇｙｅ　Ｌｉａｎｇ使用新材料ＰＢＴｓ家族系列中有着极好光电转换能力的ＰＢＴ７作为给体材料，采用ＰＣ７１ＢＭ作为受体材料，溶于ＤＣＢ溶剂中制成共混比例在１∶１．５的共混膜，光电转换效率达到了６．２２％。他们将相同条件的材料溶于混合溶剂（DCB/DIO）中制成共混膜，光电转换效率达到了７．１８％，填充因子是０．６８８５；同时，将溶于溶剂ＣＢ且光电转化效率只有３．９２％的共混膜置于混合溶剂ＣＢ／ＤＩＯ中，光电转换效率达到了７．４％，填充因子为０．６８９７；通过透射电子显微镜观察用混合溶剂ＣＢ／ＤＩＯ制成的共混膜，发现其具有极其有序的形貌。
五、 展望
在全球传统能源日益枯竭的情形下，太阳能可作为一种可再生的取之不竭的能源。在无机半导体光伏器件受到成本约束的条件下，尽管有机半导体材料有着远低于无机半导体迁移率的缺点，但有机材料的低成本、易制造等优点仍促使各国政府投入大量的资源开发有机太阳能电池。自从Ｃ．Ｗ．Ｔａｎｇ研制出光电转化效率１％的器件后，近２０年来有机太阳能电池取得了可喜的进展，已经实现７．４％的转换效率。最近，Ｓｏｌａｒｍｅｒ　Ｅｎｅｒｇｙ公司创造了８．１３％的有机光伏电池效率记录，这项新纪录得到了美国国家可再生能源实验室的证实。同样在最近，美国罗格斯大学研究人员Ｈ．Ｎａｊａｆｏｖ等发现，激子在有机半导体晶体红荧烯中的扩散距离是以前认为的１０００多倍，该距离可与激子在制备无机太阳能电池的硅、砷化镓等材料中的距离相媲美，这是一条令人振奋的消息。只要从根本上克服了材料的载流子迁移率低带来的影响，有机太阳能电池就可取得极大的进展，随着新材料新概念的出现，相信在不久的将来有机太阳能电池就可以正式投入商业应用。
参考文献
1、《有机太阳能电池的研究现状与进展》李甫 徐建 梅张德(中国地质大学材料科学与化学工程学院 湖北武汉430074)
2、《有机薄膜太阳能电池的研究进展》沐俊应, 徐娟, 粱氏秋水, 朱宏伟, 陈振兴( 1. 中南大学, 湖南 长沙 410083; 2. 中山大学, 广东 广州 510275)
3、《有机薄膜太阳能电池》郭　军，李　博，胡来归（浙江工业大学理学院应用物理系，杭州３１００２３）
4、《太阳能电池能源成本分析与薄膜电池技术发展》张志坚 ，俞德庆 ，张玉林。许开芳
(1．昆明冶研新材料股份有限公司，云南 昆明650031；2．云南冶金集团总公司，云南昆明650224；3． 昆明冶金研究院，云南昆明650031；4．云南天达光伏，云南昆明650012)
5、《有机太阳能电池简介及产业化前景》文／徐新军李立东 （北京科技大学材料科学与工程学院）
6、邢其毅，等．基础有机化学上册［Ｍ］．第３版．北京：人民教育出版社，１９８０：５２
7、李蛟，刘俊成，高从堦．体相异质结型有机太阳能电池的研究进展［Ｊ］．材料导报：综述篇，２００９，２３（９）：１０４
8、於黄忠．不同比例的Ｐ３ＨＴ与ＰＣＢＭ 共混体系光电池性能分析［Ｊ］．高分子材料科学与工程，２００９（１０）：５７
9、黄永辉，李宏建，等．有机电致发光器件的电极修饰［Ｊ］．材料导报，２００５，1９（１）：９３
10、刘晓东，张福俊，徐征，等．活性层厚度对体异质结聚合物太阳能电池性能的影响［Ｊ］．光谱学与光谱分析，２０１０，３０（７）：１７５２
11、於黄忠，彭俊彪．共混型聚合物太阳电池原理及研究进展［Ｊ］．化学进展，２００７，１９（１１）：１６８９