有机薄膜太阳能电池:转换效率达到9.26%提高耐久性是课题
有机薄膜太阳能电池具有重量轻、产品柔软、设计自由度高的特点。有望为太阳能电池开辟出新的应用领域,今后的发展备受期待。风险企业及太阳能电池厂商的开发活动也日趋活跃。 实用化方面的课题是如何来提高转换效率和耐久性。其中,在转换效率方面,三菱化学已于2011年3月达到9.26%,向实现两位数转换效率迈进了一步。 下面将介绍有机薄膜太阳能电池的工作机制、开发动向及企业动向,同时还对实现9.26%转换效率的涂布转换技术做部分介绍。 激子的生成和分解 有机薄膜太阳能电池采用在透明电极与Al电极之间夹入p型半导体、p-n混合层(i层)及n型半导体的构造(图1)。电极与半导体材料之间设置有可选择性透过电子及空穴的缓冲层。 有机薄膜太阳能电池主要由p型半导体、p-n混合层及n型半导体构成(a)。在柔性基板上形成的话,可提高形状的自由度(b)。 有机薄膜太阳能电池的工作原理大致如下(图2)。①由施主(p型)或受主(n型)的有机分子吸收光生成激子。②激子扩散,向施主与受主的界面移动。③激子在界面分解,由此引起电子与空穴的电荷分离,电子和空穴由电极向外部电路输出。 有机薄膜太阳能电池经过以下步骤进行发电:①通过吸收光生成激子,②激子扩散、③激子分解、④载流子扩散、⑤用电极捕获载流子。 有机半导体与Si半导体的最大不同点在于激子的库仑力非常大。有机薄膜太阳能电池的库仑力为数百meV,而Si仅为15meV。因此,Si即使在室内的热能环境下,只要照射光,电子与空穴也容易分离。而有机半导体不同,由于电子与空穴间的库仑力非常强,因此生成的激子不移动到施主与受主的界面的话,就无法分离。界面的能量差使电子与空穴分离后,空穴会穿过p型半导体向阳极移动,电子会穿过n型半导体向阴极移动。 有机薄膜太阳能电池的激子扩散距离为数十nm,中间不存在p型与n型半导体的界面的话,就不能充分分离。另外,即便激子能够在界面分离,电子与空穴也必须在不复合的情况下向电极移动。这时,电子和空穴的迁移率系数尤为重要。 所以,要想提高有机薄膜太阳能电池的转换效率,重要的就是要提高与光电转换相关的所有过程的特性。具体包括光吸收效率(激子生成效率)、扩散效率、激子分解中电子和空穴的生成效率、电子和空穴的迁移率,以及将电荷移至电极的捕获效率,等等。 在实际的开发过程中,技术人员一直以开路电压(Voc)、短路电流(Isc)、填充系数(fill factor:FF )*的数值为指标来寻找改进的方向。这是因为转换效率可通过Voc、Isc、FF相乘算出。比如,Voc跟p型HOMO(最高占据轨道)能级与n型LUMO(最低空转道)能级间的能隙成比例。要想提高Voc,只需加大该能隙即可。而要想提高Isc的话,则需要减小吸收光的p型半导体的带隙,使长波长的光得到高效吸收,并充分控制界面以使激子高效分离。 *填充系数=用最大输出功率除以开路电压和短路电流得到的数值。开路电压是太阳能电池形成的最大电压。短路电流是太阳能电池能输出的最大电流量。 1986年以1%的转换效率起步 |