国内太阳能电池领域部分专家

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1、1 大连理工大学 精细化工国家重点实验室 孙立成 2 中国科学院长春应用化学研究所 杨小牛 中国科学院长春应用化学研究所研究员杨小牛等科研人员发明的“一种聚合物 太阳能 电池的制备方法” 专利获得了国家知识产权局授权。 在目前基于体相异质结结构的聚合物 太阳能 电池中, 聚(3- 己基噻吩 ) (P3HT)和 C60 的衍生物 PCBM 是应用最广泛和最成功的体系之一。在这种类型的 太阳能 电池中, 器件的转换效率受光敏层内部形貌的影响很大。在旋涂制备大面积均匀器件的过程中,由于溶剂的挥发速度太快, 电子给体材料 P3HT 从溶液中析出时来不及形成充分的结晶, 导致所得光敏层共混薄膜中 P3H

2、T 没有形成良好的空穴传输通道, 因而所得的器件效率通常都很低。传统上, 一般采取后热退火或者溶剂退火的处理方法以达到改善光敏层形貌的目的。但是, 若退火的条件控制不当，PCBM 很容易形成微米级的结晶体, 从而导致薄膜中形成大尺度的两相分离状态, 器件的效率会急剧下降。此外，高温退火时，薄膜中的组分还有氧化和降解的风险。因此，如何在温和的条件下，既能提高共轭聚合物 P3HT 在共混薄膜中的结晶度又能避免大尺度的相分离的产生是高性能体聚合物 太阳能 电池制备过程中的一个难题。 在国家基金委和中科院的大力支持下，杨小牛课题组采用往 P3HT 的良溶剂溶液中缓慢加入不良溶剂的方法, 让 P3HT

3、在溶液中产生有序的结晶前驱体, 然后再往混合溶液中加入 PCBM, 待完全溶解后进行旋转涂膜, 所制得的光敏层薄膜中不但形成了长达数微米均匀密集分布的 P3HT 晶须, 而且相分离尺度在纳米数量级, 这不仅为激子的有效分离提供了大面积的两相界面, 并且为空穴的快速传输提供了连续的通道。同时, 由于 P3HT 的结晶度得到了提高, 光敏层在太阳最大幅照功率的长波区域的光吸收得到了改善, 因而利用该方法新制得的器件其效率接近 4%, 实现了高效免退火聚合物 太阳能 电池器件。 本发明在温和的条件下“一步”实现了高性能“ 免退火”的 太阳能 电池器件，大大简化了聚合物 太阳能 电池的加工工艺，大幅降

4、低生产成本。 3 中国科学院长春应用化学研究所 王鹏中科院长春应化所王鹏课题组在有机染料敏化太阳电池研究方面取得重要进展，相关成果在线发表于英国化学会化学通讯上（Chem. Commun., 2009） 。该论文报导了一个具有高吸收系数的有机染料 C217，该染料在以乙腈为电解质溶剂的器件中达到了 9.8%的光电转换效率；结合无溶剂离子液体电解质，实现了光电转换效率达 8.1%的长期光热稳定的染料敏化太阳电池。这两项指标均为有机染料敏化太阳电池的最好结果。其性能已经非常接近钌染料。此工作被“Technology Review”在 2009 年 3 月 12 日进行了报道并被其他媒体转载。 目前

5、，通过共轭系统的结构设计来调控染料的能带和吸收光谱等特性是实现高性能有机染料的主要手段，C217 以 3,4-乙烯二氧基噻吩与二并噻吩的偶联结构作为染料的共轭单元，结合三芳胺给体和氰基乙酸受体，实现了染料的宽光谱吸收。该染料在氯仿溶液中的最大吸收波长达到了 552 nm，器件的光谱响应范围接近钌染料的水平，量子转换效率（IPCE）在 440-590 nm 范围内超过了 90%。这一研究成果将进一步促进有关宽光谱、高效率、低成本的纯有机染料敏化太阳电池的开发和应用研究。 4 华南理工大学 高分子材料与元器件研究所 曹镛 院士 广东科研人员对太阳能 电池进行了各种可以提高光电转换效率途径的研究，并

6、已在实验室做出了转换效率达 5%的材料。在日前举行的 “纪念中国科协成立 50 周年暨 2008 中国材料研讨会”上，中国科学院院士、华南理工大学教授曹镛在题为聚合物异质结 太阳能 电池研究的进展的报告中指出，广东在有机 太阳能 电池研究方面与世界同步，目前已在材料研发与发电效率上取得重要进展，未来有望实现把效率提高到 10%15% 的目标，并大范围推广应用。刚当选为发展中国家科学院院士的曹镛教授在报告中提出，面对日益严峻的能源危机，世界各国都在加紧对可再生能源的研发，以代替目前的化石燃料，而 太阳能 是未来最有希望的可再生能源之一。 他表示，以硅为材料的 太阳能 电池成本价格太高，研发过程中

7、耗费人力物力大；光电转换效率也低，一般只有 12%-15%左右，并且要进一步提高发电效率也比较困难。因此，我国正致力于研究其他材料的 太阳能 电池。据曹镛院士介绍，相对于目前使用的单晶硅 太阳能 电池，有机 太阳能 电池具有轻薄、成本低、制作工序简单等特点，只需在一层塑料上通过喷墨打印、滚动印刷加工等方式就可实现大面积生产，并可以应用于更广泛的领域。因此，有机 太阳能 电池的研发也成了国外风险投资的热点。像美国政府对这方面的投入力度非常大，并且已做出了光电转换效率达 5%的电池。曹镛表示，广东有机太阳能 电池研究方面差不多与国外同时起步。自他 1998 年回国主持建立华南理工大学高分子光电材料

8、及器件研究所后，便组建了相关团队，开展了这方面的研究工作。与国外只研究单一材料不同，他们更侧重于开发新材料，通过多种途径提高 太阳能 的转化效率。 5 中科院化学所 有机固体重点实验室 李永舫 在新型 C60 衍生物受体光伏材料方面取得重要研究进展 在国家自然科学基金委重点项目、中美双边国际合作项目和创新群体项目的支持下，化学所有机固体院重点实验室的科研人员与美国 Solarmer 公司合作，最近在用于聚合物 太阳能 电池的新型 C60 衍生物受体光伏材料的研究方面取得重要进展。他们合成了一种茚双加成 C60 衍生物 ICBA，以其为受体与聚 (3-己基噻吩)（P3HT）共混制备的聚合物 太阳

9、能 电池能量转换效率达到 5.44%，为基于 P3HT 的聚合物 太阳能 电池能量转换效率最高值。这一结果最近发表在 JACS 上（J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 1377-1382.） 。P3HT 和可溶性 C60 衍生物 PCBM(分子结构见图 3 中的 F2)是聚合物 太阳能 电池中最具代表性的给体和受体光伏材料。基于 P3HT/PCBM 的光伏器件能量转换效率稳定达到 3.54.0%左右，并且其光伏性能对活性层厚度不太敏感（100300 nm 都可以获得较高的效率） ，因此，这一体系成为制备大面积聚合物 太阳能 电池的最佳候选。但 P3HT/PCBM 体系也

10、存在开路电压低（0.6 V 左右） 、激子电荷分离能量损失大等缺陷，这主要是由于他们的电子能级匹配性不好（PCBM 的 LUMO 能级太低） 。为进一步改进基于 P3HT 体系的光伏性能，有机固体室的研究人员合成了富电子的茚双加成的 C60 衍生物 ICBA，其 LUMO 能级较 PCBM上移 0.17 eV，在 AM1.5, 100 mW/cm2 光照条件下，基于 P3HT/ICBA 的光伏器件开路电压达到 0.84 V,能量转换效率达到 5.44,而同样条件下，P3HT/PCBM 体系的开路电压只有0.58 V，能量转换效率 3.88。另外，他们还合成了一系列不同烷基链长度的 PCBM 类

11、 C60 衍生物 F1F5，其中 F2就是 PCBM。他们以这些 C60 衍生物为受体、P3HT 为给体制备了光伏器件，发现取代基碳链长度对光伏性能有重要影响（能量转换效率分别是 3.66%(F1), 3.52%(F2), 2.28%(F3), 3.59%(F4)和 2.83%(F5)） ，F1（碳链长度比 PCBM 少一个 C）和 F4（碳链长度比 PCBM 多两个 C）的光伏性能与 PCBM 相当或稍优（效率都超过 3.5%） ，F3 和 F5（碳链长度比PCBM 分别多一个和三个 C）的光伏性能比 PCBM 明显变差。他们从碳链长度对电子迁移率和共混膜吸光系数的影响解释了这一现象。这一结

12、果最近被 Adv. Funct. Mater.接受发表。6 北京大学 有机光电材料物性及器件物理研究室 邹德春 该教研室是在北京大学 985 规划和 211 工程的大力资助下，由邹德春教授于 2001 年 5月从日本九州大学回国新建起来的。主要以有机/高分子材料的结构与光电功能之间的关系方面的研究为主体，同时开展新型光电功能材料的物性研究、如何将多种单一的材料组装成光电功能器件的器件物理研究、如何构筑光电功能器件的器件工艺研究等。目前的主要研究领域有有机/高分子发光材料及器件、有机光伏电池、染料敏化 太阳能 电池、柔性纤维光伏电池、光敏器件、力敏器件、新型光电器件制备技术、高压下的有机超薄膜物

13、性、有机电致发光产业化基础技术等。 本学术小组在国际上首次提出并实现了以金属丝为电极材料的可编织化柔性纤维光伏电池。前期成果发表在 AM（Adv.Mater.,2008, 20(3): 592-595;） ，APL（Appl. Phys. Lett.,2008, 92, 113510;）等学术杂志上；最近 Konarka 公司采用类似的电极设计思想，制备出了具有较高效率的有机柔性光伏电池，结果发表在 Science(SCIENCE,2009, 324(5924): 232-235 )上。 2008 年 5 月，这类新型 太阳能 电池方面的研究成果入选北京大学实施“985 工程”科研成果选展，胡

14、锦涛总书记亲手操作了演示纤维电池并亲切地询问了电池的性能情况；一年以来，研究工作不断取得新进展，通过与本学院吴凯教授课题组在纳米电极基地方面的合作，现在 5 厘米长的全固态纤维光伏电池在标准太阳光下（100 mW/cm2）短路电流超过 0.6 mA，保存寿命超过 5000 h。7 清华大学 国家杰青、有机光电子与分子工程教育部重点实验室主任 邱勇8 北京大学 物理学院 人工微结构和介观物理国家重点实验室 秦国刚 9 吉林大学 超分子结构与材料国家重点实验室 马於光10 上海大学 新型显示技术与应用集成重点实验室 张志林11 中科院化学研究所 刘云圻12 华南理工大学 高分子光电材料与器件研究所

15、 彭俊彪13 中科院长春光机与物理所 李文连14 中国科学院 长春应用化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室 谢志元15 复旦大学 应用表面物理国家重点实验室 侯晓远16 中科院 长春应用化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室 马东阁17 中南大学 超微结构和超快过程研究所 高永立18 华南理工大学 材料科学与工程学院 吴宏滨 19 中科院 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 陈立祪20 武汉大学 化学与分子科学学院 杨楚罗21 中科院 长春应用化学研究所 王鹏22 北京交通大学 光电子技术研究所 侯延冰23 中科院 长春光学精密机械与物理研究所 李斌 24 吉林大学 超分子结构与材料国家重点实验室 田文晶25 中南大学 化学化工学院 潘春跃26 华东理工大学 田禾 中科院院士 任 Dyes and Pigments 主编，教育部科学技术委员会化学化工学部副主任