有机太阳能电池的原理

有机太阳能电池以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料,以光伏效应而产生电压形成电流.主要的光敏性质的有机材料均具有共轭结构并且有导电性,如酞菁化合物,卟啉,菁(cyanine)等.

有机太阳能电池的几种结构

有机太阳能电池按照半导体的材料可以分为单质结结构,P-N异质结结构,染料敏化纳米晶结构.

单质结结构

单质结结构是以Schotty势垒为基础原理而制作的有机太阳能电池.其结构为玻璃/金属电极/染料/金属电极,利用了两个电极的功函不同,可以产生一个电场,电子从低功函的金属电极传递到高功函电极从而产生光电流.由于电子?空穴均在同一种材料中传递,所以其光电转化率比较低.

P?N 异质结结构

P-N异质结结构是指这种结构具有给体-受体(N型半导体与P型半导体)的异质结结构.其中半导体的材料多为染料,如酞菁类化合物,北四甲醛亚胺类化合物,利用半导体层间的D/A界面以及电子?空穴分别在不同的材料中传递的特性,使分离效率提高.

NPC(nanocristaline photovoltaic cell)染料敏化纳米晶

染料敏化太阳能电池(DSSC)主要是指以染料敏化的多空纳米结构 TiO2 薄膜伟光阳极的一类太阳能电池.它是仿生植物叶绿素光合作用原理的太阳能电池.而NPC太阳能电池可选用适当的氧化还原电解质从而使光电效率提高,一般可稳定于10%,并且纳米晶TiO2制备简便,成本低廉,寿命可观,具有不错的市场前景.

有机太阳能电池的前景

技术前景

(1)提高能量转化率

现今有机太阳能的转化率最高达到 6.5%,只能驱动耗电极少的用电器工作.随着科学技术的发展,科学家必将研制出转化率更高的电池.届时,手机,MP3等常用工具将摆脱充电麻烦的问题,使人们的生活更加富有机动性.

提高能量转化率可以在以下几方面进行改进:

① 优化表面结构,将电池表面反射的光重新聚集进入电池;

② 使用反射镀膜复活光子和制造多结多禁带结构电池捕获宽波长的光子从而获得合理的光子吸收率;

③ 使用低电阻率和小覆盖面的金属作为前点击已获得最大填充因子和较大光电流;

④ 制造由纳米级材料组成的光电池.纳米材料是由超细微粒组成的,其边界区的体积大约是材料总体积的50%,这样的结构可能会带来神奇性能.

(2)便携,可折叠

与Si基太阳能电池相比,有机太阳能电池的一大特点就是质量轻,柔软而可折叠.众所周知,太阳能电池产生的功率与其受垂直光照的面积成正比.如果将有机太阳能电池设计成轻薄柔软的材料,做成类似阳伞的形状,既减小了体积,方便了携带,又可在有阳光的时候随时充电,实用性很强.

(3)仿生学应用

自然界有很多能够高效转化太阳能的酶.以光合作用的第一步光反应为例,通过原初反应使光系统的反应中心发生电荷分离,产生的高能电子推动着光合膜上的电子传递,这种方法的光能转化率可以达到42%之多.随着新型仿生技术的发展,达到,甚至超越这个数值是很可能的.

应用前景

已知太阳光照射到地球上的平均能量密度为1376W/平方米,假设能量转化率已达到为30%.城市每个三口之家每天的平均用电量为3kw?h,平均太阳光照时间4h,则只需不足2平方米太阳能电池板即可为之提供充足的电力.另一方面,家庭电路最大熔断电流一般在20A左右,最大瞬时功率4400W.达到此瞬时功率只需10平方米左右的太阳能电池板即可.

工厂,学校的等大型耗电场所则依靠水利,风力发电,核能发电等途径获得电力.这种多层次的供电体系既可以保证社会正常运转,也充分利用了清洁能源.

综上,太阳能作为一种重要辅助能源在未来社会占据着不可取代的地位,而有机太阳能电池也必将因为其优越的性能和低廉的成本在未来能源领域显示出不可比拟的竞争力.