浅析无机材料在有机太阳能电池中的应用

浅析无机材料在有机太阳能电池中的应用

吴涛熊磊梁溪凯徐龙

吴涛熊磊梁溪凯徐龙

湖南工业大学冶金学院湖南省株洲市412007

摘要：现阶段伴随着我国科技水平的不断快速发展，我国的无机材料在有机太阳能电池中的应用范围越来越广泛，其中无机材料的迁移效率比较高，光谱效应和太阳能光谱相匹配，而相对于有机材料来说价格便宜，合成方法较简单。就目前情况来看，无机材料的迁移效率较差，所以导致光电转换效率比较低，并且阻碍了有机太阳能电池的应用。假使能够将无机材料和有机材料相融合在一起，可以大大的提高太阳能电池的光电转换效率。本文主要阐述了无机材料和有机太阳能电池的概述与优点分析，无机材料在OSCs中的应用原理以及目前无机材料在有机太阳能电池中的应用。

关键词：无机材料；有机材料；有机太阳能；效率；电池；应用

一、无机材料和有机太阳能电池的概述与优点分析

无机材料就是指由无机物单独或者是和混合其他物质制成的材料，通常其中包括硅酸盐和铝酸盐以及硼酸盐等原料经一定的工艺制备而成的材料。无机材料的优点具有技术含量高、产品更新换代快以及经济效益明显的特点。

有机太阳能电池就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。主要是以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，并且用光伏效应产生的电压而形成电流，才能够实现太阳能发电的效果。有机太阳能的优点具有价格便宜，有机高分子半导体材料的合成工艺比较简单。比如说酞菁类染料已经实现了工业化的生产，所以它的成本低。还有就是有机太阳能电池可以降解，从而减少对环境的污染。

二、无机材料在OSCs中的应用原理

现如今无机材料在OSCs中的原理是利用有机材料产生的光伏特效应，从而实现的光电能量之间的转化。以下就是无机材料在OSCs中的应用原理过程：先是通过光照射到0SCs上，其中具有能量大于有机材料的光子后被激活，并且产生激子，进而激子在浓度梯度的作用下扩散到异质结处，此时在界面形成孪生的电子空穴；再是由于激子不能够自动解离，所以需要工种不同的最高己占轨道和最低未占轨道的材料相连接，才能够结合到受体LUMO的能极差值作用下分解成自由移动的电子和空穴，那就是电载流子；最后是通过阴阳两极之间的作用存在着功函差，使得电子和空穴在内部的电场作用下产生电流。

三、目前无机材料在有机太阳能电池中的应用

1.无机材料在太阳能电池中阴极缓冲材料的应用。有机太阳能电池器件是稳定性一般的产品，如何提高稳定性就要在阴极与有机层之间添加一层缓冲的材料，这种材料必须使得有机层与电极间接触良好，又不得增加接触的电阻，而且有机层也不能够受到破坏。比如说化合物LiF常用在电致发光中，但它也可以用于OSCs。何况TiO2不仅在OSCs中作为受体，还可以作为阴极缓冲层，阻挡空穴流向阴极，保护了有机层。

2.无机材料在太阳能电池中阳极缓冲材料的应用。有机太阳能电池发光器中的金属氧化物空穴材料在OSCs中可以作为阳极修饰层，比如说NiO和WO3都可以作为阳极修饰层。何况金属氧化物的厚度对于有机太阳能电池器件有明显的影响作用，可以用MoO3做阳极的修饰层，有机太阳能电池能够在红外区的光吸收能量。从而采取WO3做阳极修饰，有机太阳能电池器件的效率可以达到3.1%，主要原因是由于降低了有机太阳能器件中载流子的复合几率。其中NiO做阳极修饰层，可以有效的调节活性层能级，阳极更容易接纳空穴，从而使得效率不断的提高。过渡金属氧化物与阳极形成良好的能级匹配，有效的阻止了有机层和电极发生电化学反应，进而有利于载流子收集大幅度提高，所以才能够使的有机太阳能电池器件的稳定性提高。

3.无机材料在太阳能电池中活性层的应用。无机材料在太阳能电池中活性层的应用主要包括铬化合物、硅和低能的纳米粒子以及金属氧化物这四部分构成。

铬化合是指人们常用到的无机受体材料CdS和CdTe等，铬化合物应用在有机太阳能电池OCSCs中，首先报道了球形CdSe与MEH-PPV结合的有机太阳能电池器件。但是球形粒子表面的绝缘层限制了电荷传输。Huynh制作了氧化铟锡/聚3-乙基噻吩：CdSe/Al的有机太阳能电池器件。所以使得纳米棒状CdSe电子传输有效的提高。

硅是由纳米硅材料制成，具有无毒和对光强吸收以及电子迁移率高的活性层应用。硅不仅可以用作受体材料与有机材料结合制备成了有机太阳能电池，还可以利用蚀刻法形成的硅纳米线阵列可以增加OSCs在可见和近红外的吸收，从而增大迁移效率。我们可以将硅作为受体串联到有机太阳能电池器件中，能够使得内部电场增大，可以使得电子和空穴转移更加容易，这就充分解决了传输的问题。

低能的纳米粒子主要是为了提高有机太阳能电池的能量转换效率。才能够将波长带隙窄的无机受体与有机受体相融合起来。其中Cui等制作的有机太阳能电池器件吸收在可见光和近红外区域内。在Tan改进之后，，不仅减少了活性区载流子的复合数量，并且也保证了光吸收。

金属氧化物其中有TiO2，它化学稳定性高，可见光区透光良好，有金红石、板钛矿和锐钛矿三种晶型。金红石型TiO2在热力学上稳定性是最高的，而且光散射性优异。锐钛矿型TiO2带隙较宽，而且导带能级较高。锐钛矿型TiO2因为有较高的电子迁移效率，而且在有机太阳能中应用广泛。有一种ZnO的能级结构和锐钛矿型TiO2基本相同，也是n型半导体。ZnO的缺点是化学稳定性不好，在酸碱环境中都不能稳定很长时间，比较易溶解。

四、结束语

由上可知，目前的无机材料和有机材料能够相融合在一起，他们可以各自发挥各自的优点，但也弥补了材料组成的太阳能电池不足，所以对有机太阳能电池器件有很大的帮助。有机材料的结合，不仅价格便宜，而且工艺简单，并且具有很好的稳定性，可以大大的提高了有机太阳能电池的迁移效率，同时光吸收和太阳能光谱更加匹配。至于有机太阳能电池是否能够实现产业化和居民化，这些都和有机太阳能电池的应用发展有着密切的关联。因为正是有机太阳能电池的这些明显优点——轻快，便宜，原材料容易得，并且可以大面积的制备，用来满足实现产业化、居民化的条件。因此，我们攻克了有机太阳能电池能量转换效率问题，世界的能源界必将迎来有机太阳能电池的时代，会得到更好的发展。

参考文献：

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［2］李世娟.异质结型有机太阳能电池材料的最新研究进展[J].南京大学学报（自然科学），2014，（02）：135-142.

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