有机光伏电池d-a研究（有机光伏电池的应用）
光伏电池效率
光伏电池中国最高转换效率的发布旨在全面、系统、权威、及时地展示我国光伏电池达到的光电转换效率最高水平，进一步推动我国光伏技术的创新发展。此次共发布了晶体硅(Crystalline Si)电池、砷化镓(GaAs)电池、铜铟镓硒(CIGS)电池、钙钛矿(Perovskite)电池和有机(Organic)电池等5大类型，12种不同结构光伏电池的中国最高效率。其中，5种结构光伏电池的中国效率也是该类电池转换效率的世界纪录。
图片：主持人英利CTO宋登元先生
我国晶体硅光伏电池最高效率取得了突破性进展。阿特斯创造了多晶硅PERC电池22.8%中国最高效率，也创造了世界多晶硅电池的效率纪录。隆基创造了单晶硅PERC电池24.03%的中国最高效率。继PERC电池之后，我国HIT电池和TOPCon电池技术发展迅速，汉能创造了HIT电池24.85%的中国最高效率，天合创造了24.58%N型单晶硅TOPCon电池中国最高效率。这四种晶体硅电池的最高效率都是利用大硅片面积(约244.6cm2)取得的，表明了我国在大面积晶体硅光伏电池研发和产业化方面达到了国际领先水平。这些成果必将快速向光伏产业转移，推动实验室成果的产业化，使我国在晶体硅电池的产业化技术方面持续保持国际先进水平，支撑我国光伏产业持续发展。
薄膜光伏电池效率持续保持领先优势。汉能创造了29.1% 单结砷化镓电池的中国最高效率，也是世界单结砷化镓电池的效率纪录。同时，汉能也创造了在玻璃基板上铜铟镓硒电池22.92%的最高效率，以及在柔性基板上铜铟镓硒电池20.56%的中国最高效率。
钙钛矿光伏电池技术突飞猛进。杭州纤纳多次刷新了钙钛矿电池小组件效率的世界纪录，创造了7片电池串联微型组件效率17.25%的中国效率纪录，以及28片电池串联组件效率14.30%的中国效率纪录。中国科学院半导体所创造了单结钙钛矿电池效率23.7%的最高效率纪录，南京大学创造了钙钛矿叠层电池效率22.2%的最高效率纪录。
有机光伏电池研究持续保持国际领先。华南理工大学创造了有机光伏电池16.48%中国效率纪录，也是该类电池的世界最高效率。
与2018年光伏电池中国最高效率比较，2019年有8种类型的电池刷新了2018年的效率纪录!表明我国光伏领域的研究创新能力在不断增强，推进了光伏电池效率的快速提升，有力支撑了我国光伏产业做大做强。多晶硅PERC电池效率由22%提升至22.8%，单晶硅PERC电池效率由23.1%提升至24.03%，HIT电池效率由23.7%提升至24.85%，TOPCon电池效率由23.1%提升至24.58%，单结GaAs电池效率由28.8%提升至29.1%，玻璃基板上的CIGS电池效率由21.2%提升至22.92%，钙钛矿单结电池效率由23.32%提升至23.7%，钙钛矿微组件效率由16%提升至17.25%。相信未来我国不仅会有更多的光伏电池打破中国效率纪录，也会创造更多的世界效率纪录
太阳能电池分类
太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式（以下表示为a-）两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。
按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形，而化合物半导体薄膜形又分为非结晶形（a-Si：H，a-Si：H：F，a-SixGel-x：H等）、ⅢV族（GaAs，InP等）、ⅡⅥ族（Cds系）和磷化锌（Zn3p2）等。
太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。
（1）硅太阳能电池
硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。
单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。
多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%，工业规模生产的转换效率为10%。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。
非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。
（2）多元化合物薄膜太阳能电池
多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。
硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。
砷化镓（GaAs）III-V化合物电池的转换效率可达28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但是GaAs材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。
铜铟硒薄膜电池（简称CIS）适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。
（3）聚合物多层修饰电极型太阳能电池
以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本底等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。
（4）纳米晶太阳能电池
纳米TiO2晶体化学能太阳能电池是新近发展的，优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10％以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10．寿命能达到2O年以上。
但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。
（5）有机太阳能电池
有机太阳能电池，顾名思义，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。大家对有机太阳能电池不熟悉，这是情理中的事。如今量产的太阳能电池里，95％以上是硅基的，而剩下的不到5％也是由其它无机材料制成的。
在有机太阳能电池中常用的添加剂有哪些
有机这个概念貌似很新，但其实它的历史也不短——跟硅基太阳能电池的历史差不多。第一个硅基太阳能电池是贝尔实验室在1954年制造出来的，它的太阳光电转化效率接近6%；而第一个有机光电转化器件是由Kearns和Calvin在1958年制备的，其主要材料为镁酞菁（MgPc）染料，染料层夹在两个功函数不同的电极之间。在那个器件上，他们观测到了200 mV的开路电压，光电转化效率低得让人都不好意思提。起步之初就高下立判哪。
此后二十多年间，有机太阳能电池领域内创新不多，所有报道的器件之结构都类似于1958年版，只不过是在两个功函数不同的电极之间换用各种有机半导体材料。此类器件的原理如图1所示：有机半导体内的电子在光照下被从HOMO能级激发到LUMO能级，产生一对电子和空穴。电子被低功函数的电极提取，空穴则被来自高功函数电极的电子填充，由此在光照下形成光电流。理论上，有机半导体膜与两个不同功函数的电极接触时，会形成不同的肖特基势垒。这是光致电荷能定向传递的基础。因而此种结构的电池通常被称为“肖特基型有机太阳能电池”。
1986年，行业内出现了一个里程碑式的突破。实现这个突破的是位华人，柯达公司的邓青云博士。这个时代的有机太阳能电池所采用的有机材料，主要还是具有高可见光吸收效率的有机染料。这些染料通常也被用作感光材料，这自然是柯达的强项。邓青云的器件之核心结构是由四羧基苝的一种衍生物（邓老管它叫PV）和铜酞菁（CuPc）组成的双层膜。双层膜的本质是一个异质结，邓老的思路是用两种有机半导体材料来模仿无机异质结太阳能电池。他制备的太阳能电池，光电转化效率达到1%左右。虽然还是跟硅电池差得很远，但相对于以往的肖特基型电池却是一个很大的提高。这是一个成功的思路，为有机太阳能电池研究开拓了一个新的方向，时至今日这种双层膜异质结的结构仍然是有机太阳能电池研究的重点之一。
双层膜异质结型有机太阳能电池的结构如图2所示。作为给体的有机半导体材料吸收光子之后产生空穴－电子对，电子注入到作为受体的有机半导体材料后，空穴和电子得到分离。在这种体系中，电子给体为p型，电子受体则为n型，从而空穴和电子分别传输到两个电极上，形成光电流。与前述“肖特基型”电池相比，此种结构的特点在于引入了电荷分离的机制。与硅半导体相比，有机分子之间的相互作用要弱得多，不同分子之间的LUMO和HOMO并不能通过组合在整个体相中形成连续的导带和价带。载流子在有机半导体中的传输，需要经由电荷在不同分子之间的“跳跃”机理来实现，宏观的表现就是其载流子迁移率要比无机半导体低得多。同时，有机小分子吸收光子而被激发时，不能像硅半导体那样在导带中产生自由电子并在价带中留下空穴。光激发的有机小分子，产生的是通过静电作用结合在一起的空穴－电子对，也就是通常所说的“激子（Exciton）”。激子的存在时间有限，通常在毫秒量级以下，未经彻底分离的电子和空穴会复合（Recombination），释放出其吸收的能量。显然，未能分离出自由电子和空穴的激子，对光电流是没有贡献的。以故有机半导体中激子分离的效率对电池的光电转化效率有关键的影响。
对于肖特基型电池来说，激子的分离效率却很成问题。光激发形成的激子，只有在肖特基结的扩散层内，依靠节区的电场作用才能得到分离。其它位置上形成的激子，必须先移动到扩散层内才可能形成对光电流的贡献。但是有机染料内激子的迁移距离相当有限，通常小于10纳米。所以大多数激子在分离成电子和空穴之前就复合掉了。在有机电池中引入异质结的结果，则是明显的提高了激子分离的效率。电子从受激分子的LUMO能级注入到电子受体的LUMO能级，此过程本质上就是激子的分离。两层有机膜之间的界面不是平整的。在制备过程（热蒸发－沉积，或者溶液旋涂法）两层膜总会形成一种互穿的结构，从而界面有较大的面积。在给体材料的体相中产生的激子，通过扩散可以较容易地到达两种材料的界面，将电子注入受体材料的LUMO能级以实现电荷分离。同时，许多研究表明，受体材料亦可以吸收相应频率的光子形成激子，再将其HOMO能级上的空穴反向注入到给体材料的HOMO能级中。因此，激子可以同时在双层膜的界面两侧形成，再通过扩散在界面上得到分离。总之，相对于肖特基型电池，采用给体－受体双层膜结构可以显著地提高激子的分离效率。
到了1992年，土耳其人Sariciftci（读作萨利奇夫奇）在美国发现，激发态的电子能极快地从有机半导体分子注入到C60分子（其结构如图3）中，而反向的过程却要慢得多。也就是说，在有机半导体材料与C60的界面上，激子可以以很高的速率实现电荷分离，而且分离之后的电荷不容易在界面上复合。这是由于C60的表面是一个很大的共轭结构，电子在由60个碳原子轨道组成的分子轨道上离域，可以对外来的电子起到稳定作用。因此C60是一种良好的电子受体材料。1993年，Sariciftci在此发现的基础上制成PPV/C60双层膜异质结太阳能电池。PPV通常叫作“聚对苯乙烯撑”，是一种导电聚合物（关于导电聚合物将另文详述），也是一种典型的P型有机半导体材料。此后，以C60为电子受体的双层膜异质结型太阳能电池层出不穷。
随后，研究人员在此类太阳能电池的基础上又提出了一个重要的概念：混合异质结（体异质结）。“混合异质结（体异质结）”的英文写作“Bulk Heterojunction”，这里是我自己的译法，感觉意思上还算准确。“混合异质结（体异质结）”概念主要针对光电转化过程中激子分离和载流子传输这两方面的限制。双层膜太阳能电池中，虽然两层膜的界面有较大的面积，但激子仍只能在界面区域分离，离界面较远处产生的激子往往还没移动到界面上就复合了。而且有机材料的载流子迁移率通常很低，在界面上分离出来的载流子在向电极运动的过程中大量损失。这两点限制了双层膜电池的光电转化效率。
而所谓“混合异质结”，就是将给体材料和受体材料混合起来，通过共蒸或者旋涂的方法制成一种混合薄膜。给体和受体在混合膜里形成一个个单一组成的区域，在任何位置产生的激子，都可以通过很短的路径到达给体与受体的界面（即结面），从而电荷分离的效率得到了提高。同时，在界面上形成的正负载流子亦可通过较短的途径到达电极，从而弥补载流子迁移率的不足。符合要求的电极应当是选择性的电极。也就是说，当给体与负极接触时，给体不能把空穴传输给负极。在混合异质结中，像这样的接触事实上是避免不了的。
此种结构最理想状态自然是所有的给体相都能与正极接触，同时所有的受体相都能与负极接触。在非理想状态下，未能与正极接触的给体相上出现的正电荷是不能传输到电池的正极上的，因而这种结构亦非尽善尽美。不过相对于双层膜电池，此种结构的效率提高亦相当明显，目前有机太阳能电池中的最高效率纪录仍由混合异质结型电池保持。
谁能告诉我现在国内和国际上对有机太阳能电池的研究成果吗?
大面积染料敏化太阳电池
染料敏化太阳电池主要是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳电池，其主要优势是：原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单，在大面积工业化生产中具有较大的优势，同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义。自从1991年瑞士洛桑高工（EPFL）M. Grtzel教授领导的研究小组在该技术上去的突破以来，欧、美、日等发达国家投入大量资金研发。
要使光伏发电真正成为未来能源体系的重要组成部分，关键是实现其性能/价格比可与常规能源相当。我所于1994年提出开展该项研究。在充分利用国际合作的基础上，利用世界实验室对再生能源项目的支持，从0.5厘米×0.5厘米太阳电池的基础研究入手，逐步发展到15厘米×20厘米的电池组件，其中10cm2电池效率达到7.4%（AM1.5），15厘米×20厘米的电池板光电转换效率为5.9%（AM1.5），组成的40厘米×60厘米实用化电池组件光电转换效率达5.7%（室外95mW/cm2），在实验室小批量实用化生产和技术研究上取得重大进展，建成500瓦规模的小型示范电站，光电转换效率达到5%。这是目前世界上唯一保持正常运行的染料敏化太阳电池户外系统。这项成果使我国大面积染料敏化太阳电池的研制水平处于国际领先地位，为进一步推动低成本太阳电池在我国的实用化打下了牢固基础。
长期以来，人们就一直在努力研究利用太阳能。我们地球所接受到的太阳能，只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，这些能量相当于全球所需总能量的3-4万倍，可谓取之不尽，用之不竭。其次，宇宙空间没有昼夜和四季之分，也没有乌云和阴影，辐射能量十分稳定。因而发电系统相对说来比地面简单，而且在无重量、高真空的宇宙环境中，对设备构件的强度要求也不太高。再者，太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致"温室效应"和全球性气候变化，也不会造成环境污染。正因为如此，太阳能的利用受到许多国家的重视，大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料，以扩大太阳能利用的应用领域。特别是在近10多年来，在石油可开采量日渐见底和生态环境日益恶化这两大危机的夹击下，我们越来越企盼着“太阳能时代”的到来。从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力装置，其应用十分广泛，在某些领域，太阳能的利用已开始进入实用阶段。
1974年至1997年，美日等发达国家硅半导体光电池发电成本降低了一个数量级：从每瓦50美元降到了5美元。此后世界各国专家大都认为，要使太阳能电站与传统电站（主要是火电站）相比具有经济竞争力，还有一段同样长的路要走——其成本再降低一个数量级才行。目前美国等国家建的利用太阳池发电的项目很多。在死海之畔有一个1979年建的7000平方米的实验太阳池，为一台150千瓦发电机供热。美国计划将其盐湖的8．3％面积（约8000平方千米）建成太阳池，为600兆瓦的发电机组供热。今年6月，亚美尼亚无线电物理所的专家宣布，已在该国山地开始建造其“第一个小型实验样板”型工业太阳能电站。该电站使用的涡轮机不是新的，而是使用寿命已届满而从直升机上拆下来的涡轮机，装机容量仅100千瓦，但发电成本仅0．5美分／千瓦小时，效率高达40％—50％。
俄罗斯学者在太阳池研究方面也取得了令人瞩目的进展。一家公司将其研制的太阳能喷水式推进器和喷冷式推进器与太阳池工程相结合，给太阳池附设冰槽等设施，设计出了适用于农家的新式太阳池。按这种设计，一个6到8口人的农户建一个70平方米的太阳池，便可满足其100平方米住房全年的用电需要。另一家研究机构提出了组合式太阳池电站的设计思想，即利用热泵、热管等技术将太阳能和地热、居室废热等综合利用起来，使太阳池发电的成本大大下降，在北高加索地区能与火电站竞争，并且一年四季都可用，夏天可用于空调，冬天可用于采暖。
对于淡水资源缺乏的国家来说，太阳池还有另一项不可多得的好处：据专家测算，在近海浅水区建一个面积2163平方千米、深1.2米的太阳池，可为10吉瓦的发电机组供热，并可每年产淡水2立方千米。
在欧美一些先进国家，目前正在广泛开展应用“光电玻璃幕墙制品”，这是一种将太阳能转换硅片密封在（尤如夹层玻璃）双层钢化玻璃中，安全地实现将太阳能转换为电能的一种新型生态建材。美国的“光伏建筑计划”、欧洲的“百万屋顶光伏计划”、日本的“朝日计划”以及我国已开展的“光明工程”将在建筑领域掀起节能环保生态建材的开发应用热潮，极大的促进了太阳能在新型建材产品中的应用。
在发展中国家，各国也在积极发展利用太阳能。如菲律宾早在九九年，政府已批出了首个太阳能计划，在澳洲政府“海外援助计划”的协助下，在全国263个社区安装1000个太阳能系统。目前菲政府正在推行全球最大太阳能应用计划，整个计划耗资4800万美元，是目前为止世界上最庞大的太阳能计划。太阳能发电计划共分两期，受惠的除了民居外，还包括25个灌溉系统、97个净水及分配系统、68间学校和社区中心，及35间诊所。
由此看来，全人类梦寐以求的太阳能时代实际上已近在眼前，包括到太空去收集太阳能，把它传输到地球，使之变为电力，以解决人类面临的能源危机。随着科学技术的进步，这已不是一个梦想。由美国国家航空和航天局与国家能源部建造的世界上第一座太阳能发电站，最近将在太空组装，不久将开始向地面供电。
在我国，太阳能的利用也一直是最热门的话题，经过多年的发展，国内在集热器（含太阳能热水器）已成为太阳能应用最为广泛、产业化最迅速的产业之一。1998年销售总额达到了35亿元，其产量位居世界榜首。我国的太阳能产业已开始运作。中国科学院宣布启动西部行动计划，将在两年内投入2.5亿元人民币开展研究，建立若干个太阳能发电、太阳能供热、太阳能空调等示范工程。目前河北保定国家高新技术开发区正加快建设我国规模最大的多晶硅太阳能电池生产基地，该项目集太阳能电池、组件及应用系统等为一体，一期工程完成后可达到年产3兆瓦多晶硅太阳能电池的能力，填补了我国在太阳能开发应用方面多项空白，并将大大推动太阳能电池用低铁玻璃的生产、销售市场。但从整体上分析，国内太阳能光伏发电系统由于起步较晚，尤其是在太阳能电池的开发、生产上还落后于国际水平，整体上仍处于产量小、应用面窄、产品单一、技术落后的初级阶段。经粗略统计表明，国内目前仅建有5个（单晶硅）太阳能电池生产厂，年产量约有4.5兆瓦（注：1兆瓦（MW）为1000千瓦），工厂设施仍停留在已有引进的生产线上。而国外不少企业已把眼光瞄准更为先进的薄膜晶体太阳能电池的开发与生产上。这种新一代的先进的薄膜晶体太阳能电池其转换效率可高达18.3％，比目前平均转换效率提高了3个百分点。据业内人士介绍，我国太阳能电池平均转换效率不高，其主要原因是专用材料国产化程度低，如封装玻璃就完全依赖进口，低铁含量的高透过率基板玻璃市场仍不能满足需求，科研成果还没有迅速及完全转化为产业优势。
目前国家计委和国家科委对发展太阳能技术及其应用给予了大力的支持，国内已有多家企业涉足。北新集团是最早率先组织专家对国内、国际太阳能光伏发电产业进行调查的单位之一。于1998年在国内首家引进了76千瓦国际上先进的屋面太阳能发电系统，至今一直运行稳定、效果良好。这套系统日均发电量为12千瓦时以上，可满足1个小康之家用电要求。该集团还与瑞士的ATLANTIS公司合资组建了北京-阿脱兰太阳能科技有限公司，合资生产太阳能光伏发电组件和屋面发电组件两大系列、多个品种的光伏发电产品，并将这一世界领先的太阳能利用新技术引入了中国。
河北振海铝业集团公司是德国皮尔金顿（Piikington）太阳能国际有限公司在中国独家总代理，现已投入生产世界先进的太阳能电池玻璃封装设备和配套材料，如德国凯米特化学制品有限公司的优质湿法玻璃层压设备、湿法灌浆液（封装介质）等。振海集团的基地于1999年11月已在我国率先安装了100多平方米的光电玻璃幕墙示范建筑物，现已竣工投入应用，其运行使用效果良好，已成国内一大景观及太阳能光伏发电工程的典范。
太阳能集热管是清华大学的一项专利技术，经清华阳光公司的产业化生产，目前其年产量为世界第一，其产品性能为世界领先，清华阳光公司的晒乐牌太阳能集热管及集热装置，用六七年时间完成了小试、中试到大规模生产，目前已经建成世界上生产规模最大的集热管生产厂，每年可生产500万支全世界集热效率最高的全玻璃真空集热管，预计这个项目的经营额再过3年将达到10亿元。
2008年的奥运会，北京将成为我国在太阳能应用方面的最大展示窗口，“新奥运”将充分体现“环保奥运、节能奥运”的新概念，计划奥运会场馆周围80％至90％的路灯将利用太阳能光伏发电技术；采用全玻璃真空太阳能集热技术，供应奥运会90％的洗浴热水。届时在整个奥运会期间，我们将看到太阳能路灯、太阳能电话，太阳能手机、太阳能无冲洗卫生间等等以一系列太阳能技术的应用。我们的生活将充满阳光！
有机太阳能电池发展前景怎么样
这种电池虽然效率较低，但是其制作成本很低，而且，结构上的柔韧性，使得它具有无机电池不具备的安装方式，前景很好。
