基于B2912A的有機(jī)太陽能電池測(cè)試方案

　　隨著能源和環(huán)境問題的日趨嚴(yán)重，各種清潔能源的開發(fā)應(yīng)用日益得到重視，在這其中太陽能的利用是解決能源短缺和環(huán)境污染的最重要的途徑之一，而太陽能電池則是太陽能利用的一個(gè)非常重要的方面。當(dāng)前應(yīng)用和開發(fā)的太陽能電池包括晶硅（單晶硅、多晶硅、類單晶硅）太陽能電池、無機(jī)半導(dǎo)體薄膜（非晶硅、CdTe、GaAs、CuInSe2等）太陽能電池、有機(jī)染料敏化太陽能電池和有機(jī)太陽能電池等。目前市場(chǎng)上商品化的電池主要是基于無機(jī)材料的太陽能電池，但均存在成本高、光伏材料制備和純化過程耗能高、電池制備過程復(fù)雜等問題。

　　有機(jī)太陽能電池是一種新型有機(jī)薄膜太陽能電池，可視為第三代電池，典型的有機(jī)太陽能電池由共軛聚合物或有機(jī)小分子給體和富勒烯衍生物受體組成的共混薄膜夾在透明的ITO導(dǎo)電玻璃正極和金屬負(fù)極之間所組成。其結(jié)構(gòu)見圖1、2.有機(jī)太陽能電池具備制備過程簡(jiǎn)單、成本低、重量輕、可制備柔性器件等突出優(yōu)點(diǎn)。目前實(shí)驗(yàn)室報(bào)道的小面積器件最高光電轉(zhuǎn)換效率已從1995年的不到1%提高到大于9%.日前國(guó)外已經(jīng)有不少公司積極開展有機(jī)太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化工作，業(yè)界報(bào)道的電池效率已經(jīng)超過10%（日本三菱化學(xué)與美國(guó)加州理工大學(xué)合作開發(fā)），已經(jīng)開始產(chǎn)業(yè)化道路的Heliatek公司報(bào)道的電池效率也高達(dá)10.7%.

　　圖1 :有機(jī)太陽能結(jié)構(gòu)示意圖。

　　圖2 :有代表性的給體P3HT和受體PCBM的有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖和材料的電子能級(jí)。

　　有機(jī)太陽能電池的工作原理和基于無機(jī)材料的太陽能電池類似，太陽光從透明電極一側(cè)入射到活性層上，活性層光伏材料吸收光子產(chǎn)生激子（電子-空穴對(duì)）；激子向給體/受體界面下擴(kuò)散和遷移；擴(kuò)散和遷移到界面處的激子在給/受體電子能級(jí)差的作用下發(fā)生電荷分離；在電池內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用下，被分離的空穴沿著給體形成的通道傳輸?shù)秸龢O，而電子則沿著PCBM受體形成的通道傳輸?shù)截?fù)極；空穴和電子分別被正極和負(fù)極收集形成光電池和光電壓，從而產(chǎn)生光伏效應(yīng)。

　　考察有機(jī)太陽能電池性能的最主要參數(shù)包括：光電轉(zhuǎn)換效率（Photovoltaic Convert Efficiency,PCE）、開路電壓（Open Circuit Voltage, Voc），短路電流（Short Circuit Current, Jsc），填充因子（Fill Factor, FF）。其中電池的轉(zhuǎn)換效率計(jì)算公式為：

　　其中Pmax為電池的最大輸出功率，Jmax為電池的最大輸出電流，Vmax為最大輸出電壓。Plight為入射光能量。

　　圖3 :有機(jī)太陽能電池等效電路及相關(guān)參數(shù)。

　　作為替代能源，考察太陽能電池的最重要數(shù)據(jù)是其對(duì)能量的利用效率，即太陽能電池對(duì)入射的太陽光的轉(zhuǎn)換效率。實(shí)驗(yàn)室制備的有機(jī)太陽能電池絕在部分是金屬柵線電極（小面積的電池電極常為六指結(jié)構(gòu)）。因有機(jī)太陽能電池與傳統(tǒng)的基于無機(jī)材料的電池相比，目前的各方面參數(shù)都有所不如，故其對(duì)測(cè)試的精確度要求更高。當(dāng)然，其他諸如簡(jiǎn)單、快速的測(cè)試也是必需的。精確的測(cè)量數(shù)據(jù)除了可以得到準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換效率外，還可以得到Vmax、Jmax、Pmax以及Rsh、Rs等數(shù)值，這些相關(guān)參數(shù)可以準(zhǔn)確的考察電池的各方面性能，并為下一步的電池性能改進(jìn)提供實(shí)驗(yàn)上的依據(jù)。