前沿ＦＲｏＮＴＩＥＲ 有机太阳能电池 有机太阳能电池是一类以有机半导体材料为光活性层的光电转换装置。由于 有机半导体材料特别是聚合物半导体材料可通过溶液加工方式制备大面积、低成 本、柔性太阳能电池，有机太阳能电池在移动电子充电设备、车载半透明光伏发电玻 璃窗、太阳能光伏．建筑物一体化等领域都有着巨大的应用潜力。 据２０１５年发布的《ＢＰ世界能源统计年鉴》显 示：２０１４年全球约７０亿人消耗的能源总量为１．３ Ｘ １０ 万吨原油，折合电能约为１．５５ Ｘ １０Ｈ千瓦时。一次能 ３０％、核能４．４％、水能６．８％、可再生能源２．５％。由此 源消费的构成比例是石油３２．６％、天然气２３．７％、煤炭 可见，石油、煤炭和天然气等化石燃料约占世界一次能 会对化石燃料的依赖程度还远不止于此。除了作为燃 料，是整个化学工业的基础。化学衍生品早已深入我们 日常生活的方方面面。 源构成的８６．３％，依然是最主要的能源载体。人类社 料以产生动力，石油、煤炭和天然气还是重要的化工原 zzzPsg然而，化石燃料的形成周期长，属于不可再生资 源。乐观估计，已探明的石油、天然气储量可使用年限 仅为５０年，已探明的煤炭储量可使用年限也仅为１００ 源短缺在可预见的未来将成为制约人类发展的重要 因素。另外，在开采和使用这些化石能源的过程中，土 年。２０３０年起，化石燃料的供给将逐年下降，因此能 壤、植被、水体、大气所受到的破坏同样是短时间内无 法弥补的。因此，随着常规化石能源枯竭，环境污染问 受到世界各国的重视。 题日益突出，以环保和可再生为特质的新能源越来越 太阳能与太阳能电池 新能源，又称非常规能源，一般是指借助新技术 来开发利用的可再生能源，包括太阳能、原子能、生物 质能、风能、地热能和潮汐能等。其中，太阳能以其储 黄飞，教授；张凯，助理研究员：华南理工大学发光材料与器件 国家重点实验室，广州５１０６４１。ｍｓｆｈｕａｎｇ＠ｓｃｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ Ｈｕａｎｇ Ｆｅｉ，Ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ；Ｚｈａｎｇ Ｋａｉ，Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ：Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６４１． ２０ iolePfrp◎黄飞 张凯 一量大、分布广、利用形式多样、环保无污染、灾害系数 低等特点而成为新能源开发利用的重点。据统计，太 阳光辐射到地球表面的能量总功率约为１．７ Ｘ １０Ｈ千 瓦。如果能将太阳光辐射到地球表面的能源完全利 用，那么１小时内所收集的能量就足以满足人类社会 年的需求。 人类对太阳能的利用主要是利用太阳光的热能 和通过各种形式转换而来的电能。具体利用方式则 多种多样，如太阳能热水器、太阳能热蒸汽发电、光解 水制氢气以及光伏发电等。其中，光伏发电是大规模 利用太阳能的主要途径。利用光伏发电技术的太阳 能电池（也称光伏电池）可以将太阳能转换成电能 以满足日常生活所需，如家用电器、电动汽车、甚至工 太阳能电池种类很多，目前研究和开发的种类 业用电。 包括单晶硅、多晶硅、单晶砷化镓（ＧａＡｓ）、二氧化钛 （ＴｉＯ ）有机染料敏化、有机材料、钙钛矿等太阳能 电池。在众多太阳能电池种类中，基于有机半导体的 有机太阳能电池具有全固态、光伏材料性质可调范围 宽、可实现半透明、可制成柔性器件以及可大面积、低 成本制备等突出优点。与无机半导体材料相比，有机 材料价格低廉、毒性小（或无毒），而且吸光系数高， 一般１００纳米左右厚度的薄膜即可实现对太阳光的 有效吸收。同时，有机半导体材料的光伏性能可调范 围宽，可利用化学手段对材料的能级、载流子迁移率 以及吸收光谱等性能进行有效调控。有机太阳能电 池可采用打印、印刷等方法进行加工，可借鉴传统塑 料的加工工艺，通过类似于制造摄影胶卷的“卷对卷” （ｒｏ１１ ｔｏ ｒｏｌ１）滚动加工流程制造大面积柔性薄膜太 阳能电池。该生产工艺能够有效降低光伏电池的制 ２０１ ６年５月秆学【６８卷３期 zzzPsgiolePfrpzzzPsgiolePfrp前沿ＦＲＯＮＴＩＥＲ 太阳能电池来说，这些能量损失的存在限制了其效率 的进一步提高。 （Ｋｏｎａｒｋａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）公司和德国Ｈｅｌｉａｔｅｋ公 双结或三结的叠层电池通常是将具有不同光谱 响应区的单结电池通过中间连接层连接而成。相比于 单结电池，叠层电池既能利用高能量光子减少热能化 损失，又能利用低能量光子增加光谱利用率，因此是极 有潜力获得高能量转化效率的有机太阳能电池。２００７ 年，希格选用光谱吸收互补的聚合物材料构筑双结叠 层电池，能量转化效率达到了６．５％，验证了这一设计理 徘徊在４％。此后，关于叠层有机太阳能电池方面的研 念的可行性。而当时单结有机太阳能电池的效率一直 究工作广泛展开，器件能量转化效率也屡创新高。理 论预测表明，叠层器件的最高效率可突破１５％，因此更 有潜力满足商业化应用要求。 近年来，我国科研工作者在有机太阳能电池领域 院化学研究所、中国科学院长春应用化学研究所、吉 林大学、浙江大学、南开大学、华中科技大学及中国科 做出许多突出贡献。其中，华南理工大学、中国科学 学院半导体研究所等单位在“国家重点基础研究发展 计划”的资助下开展联合研究，在高效有机光伏材料 的设计与合成，给体／受体薄膜纳米结构调控与器件 界面调控，高效有机太阳能电池器件的设计及大面积 开展了大量研究，取得了一系列成果。笔者所在的研 zzzPsg究团队长期以来从事有机半导体材料的研究与开发， 特别是用于有机太阳能电池光吸收活性层以及电子传 输层的水／醇溶界面材料的合成、应用和机理研究， 研究成果受到国内外研究者广泛关注。 制备，有机光伏相关的物理机制及新原理探索等方面 有机太阳能电池的应用 目前有机太阳能电池在能量转化效率和器件稳 定性方面与传统的硅基太阳能电池还存在着一定的差 于有机太阳能电池未来的发展方向，科学家们一直致 以填补硅太阳能电池在这一领域的空白。此外，有机太 阳能电池柔性、轻质的特点大大拓宽了太阳能电池的应 距，因此还不能满足大规模太阳能发电站的需求。对 力于将其应用在移动电子设备、建筑物一体化等领域 用范围和环境兼容性，可将太阳能电池的安装和使用 方式逐渐由固定平面安装模式向更灵活的曲面安装模 式拓展，有利于实现便携式应用。 总之，有机太阳能电池的使用几乎不受环境和场 地限制，可在许多场合将光能转换为电能，同时与无机 业开发价值和市场竞争力。 半导体太阳能电池有非常强的互补性，具有巨大的商 有机光伏产业化研究方面，美国科纳卡技术 iolePfrp了一步。 司于２０１０年相继实现有机太阳能电池８．３％的转 换效率，Ｅｌ本三菱化学公司（Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｈｏｌｄｉｎｇｓ）于２０１ １年３月使用涂布转换技术制备了 月８日，Ｈｅｌｉａｔｅｋ公司宣布，利用最新的有机光伏多 效率达到９．２６％的有机薄膜太阳能电池。２０１６年２ 结电池技术得到１ ３．２％的能量转换效率，创下了目前 有机太阳能电池板的新纪录。这些优异的性能表现 标志着有机太阳能电池距离实现真正的商业化更近 产业化应用方面，早在２０１２年，三菱化学公司就 宣布，计划利用有机薄膜太阳能电池的轻、柔等特点， 将其用于楼宇的百叶窗、卷帘、遮光帘、外壁以及汽车 的车顶、发动机罩、车门、车窗等。近期，该公司又宣布 电池。该产品的能量转化效率约为３％。预计夹在双 将从２０１６年开始实质性供应半透明有机薄膜太阳能 层玻璃中使用的硬质型电池使用寿命约为１０年，而粘 贴在窗户上的柔性薄膜型电池则为５年。三菱化学表 示，通过进一步的技术改进，薄膜型产品的使用寿命也 将达到１０年以上。丹麦ｉｎｆｉｎｉｔｙＰＶ公司于２０１５年 １ １月９日发布了一个非常独特的小型太阳能充电器，命 名为ＨｅＬｉ．ｏｎ。这是世界上最紧凑的太阳能充电器， 尺寸仅为１１．３厘米×３．６厘米×２．８厘米，重１０５克。 这款ＨｅＬｉ．ｏｎ充电器由太阳能电池板、储能电池组、 高效电子设备三个部分组成，能以可伸缩柔性太阳能 面板的形式存在，展开时可以利用太阳光给手机充电。 明有机薄膜太阳能电池模块，转换效率约为５％。２０１４ 年，德国Ｈｅｌｉａｔｅｋ公司成功向中国交付首批ＢＩＯＰＶ ２０１５年１２月，德国Ｂｅｌｅｃｔｒｉｃ ＯＰＶ公司开始量产半透 （建筑一体化有机太阳能电池）“ＨｅｌｉａＦｉｌｍｓ ’薄膜。 该薄膜能直接覆于混凝土表面，无需额外安装冷却系 统或通风系统。在位于上海浦东的办公建筑外墙上将 “ＨｅｌｉａＦｉｌｍｓ ’与混凝土外墙材料直接集成，从而完 成全球首次ＢＩＯＰＶ混凝土外墙安装，所产电力将为建 筑内部所用。 展望 相比无机太阳能电池，有机太阳能电池在能量转 化效率和器件稳定性上仍有欠缺，离大规模商业化应 用尚有一定距离。然而，有机太阳能电池独特的溶液加 工特性和柔性特质，使得其在制造低成本、大面积、柔 性太阳能电池方面显示出巨大潜力。 设计、合成具有高能量转化效率的活性层材料和 具有理想界面修饰性能的界面材料是使有机太阳能电 池走向商业化应用的突破口。对有机太阳能电池结构 ２３ ＷＷＷ．ｋｅｘｕｅｍａｇ．ｃｏｍ 前沿ＦＲＯＮＴＩＥＲ 的优化，以及光学增透膜等的应用也将推进有机太阳 能电池的商业化进程。理论研究表明，通过活性层材 料的设计和器件结构的优化，有机太阳能电池的能量 转化效率可以达到１５％以上。 ｌ２］Ｂｅｃｑｕｅｒｅｌ Ａ Ｅ．Ｏｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｆｆｅｃｔｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ＣＲＡｃａｄ．Ｓｃｉ，１８３９，９：７１１－４． 此外，深入研究电池活性层给受体的相分离过 程，获得具有稳态的两相体系，将有助于提升电池器件 的使用寿命。在通过“卷对卷”等溶液加工方式，生 产大面积、低成本有机太阳能电池产品方面，发展具有 厚膜特性的光吸收活性层材料和界面层材料，将对工 业化生产的实现大有裨益。 ［本文相关研究工作受国家重点基础研究发展计划“高 效有机／聚合物太阳能电池材料与器件的基础研究”（编号： ２０１４ＣＢ６４３５００）资助］ ［１］Ｈｕａｎｇ Ｆ，Ｙｉｐ Ｈ－Ｌ，Ｃａｏ Ｙ Ｐｏｌｙｍｅｒ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ：ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｐｈｙｓｉｃｓ， ａｎｄ ｄｅｖｉｃｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ：Ｔｈｅ Ｒｏｙａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， ２０１６． iolePfrpＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９５４，２５（５）：６７６—６７７ ［３］Ｃｈａｐｉｎ Ｄ Ｍ，Ｆｕｌｌｅｒ Ｃ Ｓ，Ｐｅａｒｓｏｎ Ｇ Ｌ．Ａ ｎｅｗ ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐ。ｎ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｐｈｏｔｏｃｅｌｌ ｆｏｒ ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ ｓｏｌｒ ａｒａｄｉａｔｉｏｎ ｉｍｏ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ［４］Ｔａｎｇ Ｃ Ｔｗｏ—ｌａｙｅｒ ｏｒｇａｎｉｃ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｃｅｌ１．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔ— ｔｅｒｓ，ｌ９８６，４８（２）：１８３一ｌ８５． ［５］Ｓａｒｉｃｉｆｔｃｉ Ｎ Ｓ，Ｓｍｉｌｏｗｉｔｚ Ｌ，Ｈｅｅｇｅｒ Ａ Ｊ，ｅｔ ａ１．Ｐｈｏｔｏｉｎｄｕｃｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｒｏｍ ａ ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｐｏｌｙｍｅｒ ｔｏ ｂｕｃｋｍｉｎｓｔｅｒｆｕＵｅｒｅｎｅ．Ｓｃｉｅｎｃｅ， １９９２。２５８（５０８７）：ｌ４７４．１４７６． ［６］Ｙｕ Ｇ，Ｇａｏ Ｊ，Ｈｕｍｍｅｌｅｎ Ｊ Ｃ，ｅｔ ａ１．Ｐｏｌｙｍｅｒ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔｉａｃ ｃｅｌｌｓ：Ｅｎ— ｈａｎｃｅｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ ｖｉａ ａ ｎｅｔｗｏｒｋ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｄｏｎｏｒ－ａｃｃｅｐｔｏｒ ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃ— ｔｉｏｎｓ．Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９９５，２７０（５２４３）：１７８９． ［７］Ｋｉｍ Ｊ Ｌｅｅ Ｋ，Ｃｏａｔｅｓ Ｎ Ｅ，ｅｔ ａｌ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｔｎｄｅｍ ａｐｏｌｙｍｅｒ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ ａｌｌ—ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００７，３１７（５８３５）：２２２－ ２２Ｓ 关键词：有机太阳能电池溶液加工大面积低成本 柔性可折叠 ● 扫描 世界公认的最先且比较充分掌握卫 星返回技术的国家。返回式卫星具 有很明显的优势，该类卫星以胶片 回收型遥感方式完成了大量国土普 重力条件和空间辐射条件下物质运 动及生命活动的规律。卫星总设计 寿命１５天，利用我国成熟的返回式 卫星技术，在轨道上利用太空中微 重力等特殊环境完成１９项科学实 zzzPsg圆满完成预定科研项目 ［本刊讯】２０１６年４月６日凌 晨１时３８分，搭载着我国首颗微重 力科学实验卫星——实践十号返回 式科学实验卫星的长征二号丁运载 实践十号科学实验卫星 查和详查、地形测绘等飞行任务，获 得了大批有价值的遥感资料。随着 化，原来用于对地遥感、大地测量的 返回式卫星逐渐被无线遥感传输手 返回式卫星的模式，将它应用于空 验，涉及微重力流体物理、微重力燃 烧、空间材料科学、空间辐射效应、 重力生物效应、空间生物技术等六 航天技术的进步和航天任务的多样 大领域。其中，８项流体物理和燃 烧实验在留轨舱内进行，另外１１项 段所替代，但我国保持了连续发射 间科学实验活动，这一领域的领先 优势对我国空问科学研究起到了极 大的促进作用。 实践十号卫星工程由中科院国 火箭在酒泉卫星发射中心发射起飞。 卫星顺利进入预定轨道，发射任务圆 满成功。 科学实验在回收舱进行。 按预定计划和程序，在太空充 当了１２天临时实验室的实践十号 于４月１ ８日下午携带小鼠胚胎、 这是继暗物质粒子探测卫星 “悟空”之后，我国空间科学先导专 蚕、果蝇、线虫、拟南芥等“乘客” 成功降落在内蒙古四子王旗预定着 陆区域。回收的１１台科学实验载荷 项发射的第二颗科学卫星，它是先 家空间科学中心总负责，中国航天 系统及卫星平台，中国航天科技集 导专项首批科学实验卫星中唯一的 返回式卫星，也是单次开展微重力 的卫星。 科技集团公司第五研究院研制卫星 团公司第八研究院研制发射卫星的 长征二号丁运载火箭，这是长征系 及实验样品将交付科学应用系统， 部分空间生命科学样品还将与地面 实验结果进行比对。留轨舱内的８ 台有效载荷将继续空间科学实验和 拓展实验。此次实践十号的太空之 科学和空间生命科学实验项目最多 返回式卫星是指在近地轨道运 列运载火箭的第２２６次飞行。空 间科学卫星工程常务副总指挥、 行的无人返回型航天器。早期的目 的是把卫星在太空拍摄的大量照片 中科院国家空间科学中心主任吴季 月３１日正式立项，其主要科学目标 是开展空间科学实验，研究、揭示微 旅圆满完成所有预定科研项目，标 志着中国返回式卫星迎来了科学应 用时代。 （赵金才） 带回地面。美国、苏联、中国、日本 等国均曾成功或部分成功研制出返 回式卫星，其中美国、苏联和中国是 透露，实践十号卫星于２０１２年１２ ２４ ２０１ ６年５月科学（６８卷３期