有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池
——最輕便清潔的能源轉(zhuǎn)換新技術(shù)

經(jīng)濟(jì)發(fā)展建立在消耗資源的基礎(chǔ)上，社會(huì)持續(xù)發(fā)展帶來(lái)能源開(kāi)采和利用，造成現(xiàn)在面臨的能源短缺問(wèn)題。根據(jù)世界能源機(jī)構(gòu)2012年的分析數(shù)據(jù)顯示，世界石油、天然氣、煤、鈾的剩余開(kāi)采年限僅為45年、60年、230年和70年，化石能源日益枯竭。同時(shí)，傳統(tǒng)化石燃料的使用產(chǎn)生大量溫室氣體，從而引發(fā)溫室效應(yīng)、全球變暖現(xiàn)象，以及霧霾災(zāi)害天氣的頻頻發(fā)生；化石燃料中的雜質(zhì)燃燒后向大氣中釋放氮、硫等物質(zhì)，影響環(huán)境健康，打破生態(tài)平衡。能源問(wèn)題已經(jīng)成為世界各國(guó)急需解決的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，開(kāi)發(fā)和利用新型、綠色、可再生、清潔能源是解決當(dāng)前能源危機(jī)問(wèn)題的最有效途徑。太陽(yáng)能是一種取之不盡、用之不竭的無(wú)污染潔凈能源，是未來(lái)最具開(kāi)發(fā)潛力的新能源之一。將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能和熱能造福于人類一直是科學(xué)家的追求目標(biāo)。因而自從1954年第一塊單晶硅太陽(yáng)能電池問(wèn)世以來(lái)，人們對(duì)利用半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池解決將來(lái)由于礦物燃料枯竭而引起的能源危機(jī)寄于很大希望。中國(guó)對(duì)太陽(yáng)能電池的研究起步于1958年，20世紀(jì)80年代末期，國(guó)內(nèi)先后引進(jìn)了多條太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線，使中國(guó)太陽(yáng)能電池生產(chǎn)能力由原來(lái)的3個(gè)小廠的幾百KW一下子提升到4個(gè)廠的4.5MW。2002年后，歐洲市場(chǎng)特別是德國(guó)市場(chǎng)的急劇放大和無(wú)錫尚德太陽(yáng)能電力有限公司的橫空出世及超常規(guī)發(fā)展給中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇和示范效應(yīng)。2008年以后，全國(guó)太陽(yáng)能電池的產(chǎn)量為200萬(wàn)KW，中國(guó)已經(jīng)成為超越歐洲、日本的世界太陽(yáng)能電池生產(chǎn)第一大國(guó)，光伏電池產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的比例從2002年1.07%增長(zhǎng)到2008年的近15%，商業(yè)化晶體硅太陽(yáng)能電池的效率從13%-14%提高到16%-17%，形成以長(zhǎng)三角、環(huán)渤海、珠三角、中西部地區(qū)各具特色的太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)集群帶。

雖然太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)在可再生能源中占有很大的份額，受到了很多社會(huì)關(guān)注和資本投資，但是該產(chǎn)業(yè)依舊面臨幾個(gè)重要的問(wèn)題：一是轉(zhuǎn)化效率有待提高，現(xiàn)今普遍使用且能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)很高的硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率僅為17%-22%；二是光伏器件的制造和安裝成本仍需進(jìn)一步降低，才能實(shí)現(xiàn)真正的全面推廣和應(yīng)用；三是光伏器件如太陽(yáng)能硅板的生產(chǎn)制造過(guò)程能耗高、且易產(chǎn)生污染。目前研究和應(yīng)用最廣泛的太陽(yáng)能電池主要是單晶硅、多晶硅和非晶硅系列無(wú)機(jī)硅材料太陽(yáng)能電池，其中無(wú)機(jī)硅材料太陽(yáng)能電池由于原料成本高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、且材料本身不利于降低成本等因素限制了它的民用化。因此，開(kāi)發(fā)低成本太陽(yáng)能電池的有效途徑之一就是尋找廉價(jià)、清潔環(huán)保、穩(wěn)定性好、易大面積制造，具有良好光伏效應(yīng)的新型太陽(yáng)能電池材料。有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池具有清潔環(huán)保、成本低、制作工藝簡(jiǎn)單、重量輕、可制備成柔性器件，以及共軛聚合物材料原料種類繁多、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，且通過(guò)材料的改性可以有效地提高太陽(yáng)能電池的性能等突出優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)極具潛力的性價(jià)比高的能源轉(zhuǎn)換新技術(shù)。

由中國(guó)科學(xué)院院士李永舫領(lǐng)導(dǎo)的中科院化學(xué)研究所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室課題組，一直以來(lái)致力于共軛高分子和有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池研究的最前沿，主要從事聚合物太陽(yáng)能電池光伏材料和器件、導(dǎo)電聚合物電化學(xué)和半導(dǎo)體納米晶體材料等方面的研究。為了提高有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，從2000年開(kāi)始，李永舫院士及其科學(xué)家團(tuán)隊(duì)從聚合物太陽(yáng)能光伏材料的分子設(shè)計(jì)入手，解決各個(gè)科研瓶頸難題逐步提高聚合物太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，并于2016年3月在全聚合物太陽(yáng)能電池的研究方面取得突破進(jìn)展。他們使用基于噻吩取代苯并二噻吩和氟取代苯并三氮唑的中間帶隙二維共軛D-A共聚物J51為給體、n-型窄帶隙聚合物N2200為受體制備了全聚合物太陽(yáng)能電池，通過(guò)器件優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了8.27%的能量轉(zhuǎn)換效率，為當(dāng)年文獻(xiàn)報(bào)道的全聚合物太陽(yáng)能電池最高值。這一高的能量轉(zhuǎn)換效率得益于聚合物給體與受體吸收光譜互補(bǔ)、氟取代二維共軛聚合物J51給體較低的HOMO能級(jí)和較高的空穴遷移率，以及使用了他們開(kāi)發(fā)的苝酰亞胺類PDINO陰極界面修飾層材料(Energy Environ. Sci. 2014,7, 1966-1973)。隨后在2016年12月，李永舫院士帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)又發(fā)展了一系列基于噻吩取代苯并二噻吩(BDTT)與苯并三氮唑(BTA)單元的中間帶隙二維共軛聚合物給體材料，通過(guò)側(cè)鏈工程降低了HOMO能級(jí)，增強(qiáng)了鏈間相互作用，提高了空穴遷移率，使基于這類聚合物為給體、ITIC為受體的非富勒烯聚合物太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到11.4%。目前，實(shí)驗(yàn)室小面積器件能量轉(zhuǎn)換效率已突破12%，可以向應(yīng)用階段發(fā)展。該項(xiàng)研究所取得的全新進(jìn)展和突破，對(duì)于重新認(rèn)識(shí)有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池中的激子電荷分離的驅(qū)動(dòng)力具有重要意義，也為將來(lái)的高效共軛聚合物給體光伏材料的分子設(shè)計(jì)提供了一種新思路和新途徑，將對(duì)有機(jī)光伏領(lǐng)域的發(fā)展起到促進(jìn)作用。

(a)給受體聚合物材料的分子式和吸收光譜圖； (b)J51: N2200器件的電流密度-電壓曲線；(c)外量子轉(zhuǎn)化效率。（發(fā)表于Nat. Commun.2016, 7, 13651）

非富勒烯聚合物太陽(yáng)能電池給體光伏材料的側(cè)鏈工程及其HOMO能級(jí)和器件性能（發(fā)表于Nat. Commun. 2016, 7, 13651）

有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池（Polymer Solar Cell, PSC）是一般由共軛聚合物給體{如聚3-己基噻吩（P3HT）}和富勒烯（PCBM）衍生物（或非富勒烯聚合物）受體的共混膜（作為光敏活性層）夾在ITO（氧化銦錫）透光電極（正極）和金屬負(fù)極之間所組成的太陽(yáng)能電池。有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池的工作原理是利用有機(jī)化合物從陽(yáng)光產(chǎn)生電能：當(dāng)光透過(guò)ITO電極照射到活性層上時(shí)，活性層中的共軛聚合物給體吸收光子產(chǎn)生激子（電子—空穴對(duì)），激子遷移到聚合物給體/受體界面處，在那里激子中的電子轉(zhuǎn)移給電子受體PCBM的最低未占有分子軌道（LUMO）能級(jí)，空穴則保留在聚合物給體最高占有分子軌道（HOMO）能級(jí)上，從而實(shí)現(xiàn)光生電荷分離，然后在電池內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)（其大小正比于正負(fù)電極的功函數(shù)之差、反比于器件活性層的厚度）的作用下，被分離的空穴沿著共軛聚合物給體形成的通道傳輸?shù)秸龢O，而電子則沿著受體形成的通道傳輸?shù)截?fù)極?？昭ê碗娮臃謩e被相應(yīng)的正極和負(fù)極收集以后形成光電流和光電壓，即產(chǎn)生光伏效應(yīng)。

有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池工作原理示意圖

PSC具有清潔環(huán)保、原料廣、可大面積制造、成本低、光伏材料可自行設(shè)計(jì)合成以及可制備成柔性器件等諸多優(yōu)點(diǎn)，尤其是薄、輕、柔是無(wú)機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)電池不可替代的優(yōu)點(diǎn)，成為近年來(lái)國(guó)際上前沿科學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。有機(jī)聚合物材料種類繁多，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，有希望通過(guò)結(jié)構(gòu)和材料的改性來(lái)提高太陽(yáng)能電池的性能；而聚合物半導(dǎo)體材料可以溶解在有機(jī)溶劑中形成“電子墨水”，之后通過(guò)絲網(wǎng)印刷、噴墨打印、卷對(duì)卷等溶液加工法制成薄膜光電器件；溶液法加工工藝可以實(shí)現(xiàn)聚合物太陽(yáng)能電池低成本、高通量的制備，同時(shí)提供傳統(tǒng)無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池所不具備的柔性、輕便等優(yōu)點(diǎn)和特性，使聚合物太陽(yáng)能電池作為清潔可再生能源具有重要的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

被《科普中國(guó)-科技名家風(fēng)采錄》描述為“光能轉(zhuǎn)化探索者”的李永舫院士表示：“最大的愿望就是實(shí)現(xiàn)有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池的應(yīng)用，那么我這一輩子的工作，就沒(méi)有白做”。他下一步的研究目標(biāo)是解決有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池穩(wěn)定性和大面積制備的技術(shù)難題，達(dá)到大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，讓人們使用更輕便清潔的有機(jī)太陽(yáng)能電池。

（胡萬(wàn)明，中國(guó)科學(xué)院老專家技術(shù)中心；參考來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所、《國(guó)科大》）