有机太阳能电池进化出“新物种”

新型复合柔性透明电极结构示意图

因有机材料具有柔性好、重量轻、材料来源广泛、成本低等优势，有机太阳能电池对大规模利用太阳能、提供廉价电能具有重要意义。

在人类利用太阳能的各项技术中，将太阳能直接转换成电能的太阳能电池是最具发展前景的技术之一。其中，有机太阳能电池是新兴起的一个研究方向。因有机材料具有柔性好、重量轻、材料来源广泛、成本低等优势，有机太阳能电池对大规模利用太阳能、提供廉价电能具有重要意义。

近日，苏州大学材料与化学化工学部李永舫院士团队教授李耀文等人在《中国科学—化学》（Science China Chemistry）上发表文章，他们利用银纳米线掺杂透明导电聚合物，并与纳米压印的网格银柔性基底复合，制备出了低面电阻、可见光高透过率的新型柔性透明复合电极，基于此电极的柔性有机太阳能电池的效率超过了12%。

“塑料”也能导电

目前，商品化的太阳能电池主要是以晶硅等无机半导体材料为活性层制备。但是，这种太阳能电池生产存在工艺复杂、成本高、原材料生产过程能耗大和污染重等弊端，同时，这类太阳能电池由于无机半导体本身的刚性结构，难以制备柔性器件。因此，制备成本低、效率高、柔性强、环境友好的新型有机太阳能电池，正成为各国科学家的目标。

在人们的印象中，塑料是不导电的。但是，2000年诺贝尔化学奖获得者打破了这一常识。20世纪70年代，美国科学家Alan J. Heeger、Alan G. MacDiarmid和日本科学家Hideki Shirakawa发现，经过氧化或还原掺杂，一类共轭聚合物能够成为导体或半导体。

塑料就是一种聚合物。聚合物要能够导电，其主链碳原子之间必须具有交替地以单键和双键结合的共轭结构，同时还必须经过掺杂处理：通过氧化或还原反应，其主链失去或获得电子，从而具有导电性。Alan J. Heeger等人通过研究发现，对共轭聚合物聚乙炔进行碘掺杂，聚乙炔能够表现出像金属一样的导电性。

“Alan J. Heeger等人开拓了导电聚合物领域。透明导电聚合物的电极材料是导电聚合物的一个重要应用领域，有机太阳能电池就是利用共轭聚合物或共轭有机分子这种有机半导体材料做成的。”李耀文告诉《中国科学报》。

与以硅为代表的无机半导体材料相比，有机半导体具有成本低、材料多样性、功能可调、可柔性印刷制备等诸多优点。因此，有机太阳能电池的研究热度不断攀升。特别是近年来，有机太阳能电池的研究获得了突飞猛进的发展，其光电转化效率不断刷新。有机太阳能电池已经到了商业化的“黎明前夕”。

光电转换效率突破12%

有机太阳能电池活性层材料具有优良的可弯曲性，这使其在柔性太阳能电池领域展现出了巨大的应用潜力。

李耀文表示，高性能柔性透明电极、高效和低成本的有机半导体光伏材料、大面积柔性有机太阳能电池的制备技术以及器件封装和稳定性研究，是当前实现柔性有机太阳能电池商业化应用的关键。

李耀文告诉记者，商业化的铟锡氧化物柔性透明电极由于易脆、耐弯折性能差、面电阻高、透光率低等缺点，限制了其在柔性有机太阳能电池中的应用。因此，发展具有优良机械弯曲性、低面电阻、高透光率的新型柔性透明电极显得尤为重要。

据介绍，基于银纳米线的导电薄膜不仅具有优良的机械性能，而且其光学和电学性能优异，成为极具应用前景的柔性透明电极材料。但是，粗糙度大、附着力弱，形貌不稳定等缺点依然限制了它在高性能柔性有机太阳能电池中的应用。

对此，李耀文等人采用醇溶性高导电性、高规整度的银纳米线，对透明导电聚合物掺杂，通过调控掺杂比例有效调控导电聚合物薄膜的透过率和导电性，并进一步与纳米压印的网格银柔性基底复合，构筑了新型复合柔性透明电极。

他们进一步研究发现，银纳米线的掺入为导电聚合物薄膜提供了额外的电荷传输通道，可获得较高的电导率。测试结果表明，此新型复合柔性透明电极在可见光范围内的平均透过率得到了显著提升，最高透过率达到了86%。同时，面电阻降低，导电薄膜与基底之间也表现出了良好的贴合性和热稳定性。

“这些特点有助于下一步制备高性能的柔性有机太阳能电池。”李耀文说。

接下来，研究人员发现，基于这种新型复合电极制备的柔性有机太阳能电池效率达到了12.07%，表现出了与基于玻璃基底制备的有机太阳能电池相当的效率（12.94%）。这也是目前报道的非铟锡氧化物柔性有机太阳能电池的最高效率。

产业化指日可待

“十三五”战略性新兴产业发展规划以及国家发展改革委能源局新近发布的《能源技术革命创新行动计划（2016—2030）》明确指出，将重点发展基于有机、钙钛矿半导体材料的太阳能电池。

李耀文介绍说，尽管有机太阳能电池的能量转化效率与硅基、钙钛矿太阳能电池的效率仍有较大差距，然而，它在柔性和半透明器件方面独特的优势为其产业化提供了广阔的空间，有助于实现与硅基太阳能电池的互补、填补光伏市场在柔性和半透明器件方面的空缺。

首先，有机太阳能电池光活性层所采用的有机/聚合物材料，使其在制备柔性有机太阳能电池方面具有先天的优势。

此外，有机太阳能电池的光活性层通常不仅具有较薄的厚度（100~300 nm），而且其光学带隙通过对活性材料的化学剪裁可实现有效调控，从而拓展了有机太阳能电池在半透明和彩色电池领域的应用。

“有机太阳能电池具有独特的轻质、半透明、多彩化、可弯曲以及可卷对卷大规模生产的特性，在未来的可穿戴能源设备、建筑光伏一体化、光伏帐篷和光伏大棚等领域的应用上将会大放异彩。”李耀文说，“因此，柔性、半透明有机太阳能电池的研究将成为一个热点。目前我国有很多课题组已从事相关内容的研究。在未来的几年内，我国在该领域应该会有更大的突破、会有很多科研成果出现。”

据了解，中科院院士、中科院化学研究所研究员、苏州大学教授李永舫已着手相关产业化布局，在江苏省产业技术研究院有机光电技术研究所成立了光伏中心。光伏中心已配备相关研发人员和设备，主要开展有机太阳能电池光伏材料的放大量合成，以及柔性有机太阳能电池的大面积制备和稳定性研究。

谈到柔性有机太阳能电池的产业化，李永舫对《中国科学报》说：“柔性有机太阳能电池的产业化需要一步一步向前推进。”他表示，首先是高效和低成本有机光伏材料的开发和放大合成，以及高性能柔性透明电极的开发和大面积制备；其次需要开展柔性器件的大面积制备工艺、器件稳定性以及封装材料和工艺的研究；最后需要与公司合作，制备柔性有机太阳能电池组件，并建立柔性有机太阳能电池生产线，实现柔性有机太阳能电池的大规模应用。

“有机太阳能电池是中国人引领的一个研究领域，我们一定要在中国率先实现柔性有机太阳能电池的产业化。”李永舫说。

相关论文信息：https://doi.org/10.1007/s11426-018-9430-8