推荐单位：北京能源与环境学会
科研代表：侯建辉
成果来源：中国科学院化学研究所
转化作者：杨砾
太阳能作为清洁能源之一，已经被人们广泛应用。太阳能热水器、太阳能路灯等已经屡见不鲜，利用太阳能给手机充电也是许多人的期待。太阳能转化为电能进行充电和加热，实际上是光能向电能的转化。如果在光的照射下就能给手机充电，我们就不用担心手机突然没电而到处寻找电源了。有光就能充电，还是随走随充，想想都觉得比共享充电宝方便。你可能想象不到，光能转化为电能得以实现，依靠的可能是一块儿像一张报纸一样、色彩缤纷的小薄片——有机光伏电池。
有机光伏电池是什么
自20世纪50年代有机化合物的半导体性质被发现以来，相关领域的科学家合成了大量具有光、电、热和磁等功能的化合物，并对它们的性质、器件制备进行了深入研究。有机光电功能材料作为一种具有光电活性的有机材料，能有效实现光能与电能之间的转换，被广泛应用于有机太阳能电池、有机发光二极管、有机晶体管等领域。
简单来讲，有机光伏电池就是将光能转化为电能的 “中间商”，是20世纪90年代发展起来的新型光伏电池。有了它就可以利用光能为我们服务，让我们享受到绿色清洁的能源。
有机光伏电池有多大
有机光伏电池的尺寸面积可大可小，其大小可以根据应用场景的不同进行调节。其面积大的时候可以是无限的、连续的柔性薄膜;面积小的时候可能就只有5～10平方厘米，就像腕表的表带大小一样。在实验室中进行实验，最常制备的有机光伏电池和指甲盖大小差不多，这种尺寸的多是用于实验。在实际应用中，可以在实验室做出十几平方厘米，甚至100平方厘米的有机光伏电池。另外，如果在制作印刷的过程中，考虑一边印刷一边卷起来的话，制作出的有机光伏电池的面积就可以是一个连续的宽度，最后得到看起来像塑料地膜一样的大面积电池。
更轻柔、更多彩、更实惠
与无机光电材料相比，有机光电材料具有明显的优势：质量轻、柔韧性好;易于进行化学结构修饰、裁剪和合成，无资源存量的限制;器件制备工艺简单，可采取印刷、喷墨、打印等溶液加工方法，成本低;易于制作大面积、柔性器件，等等。
有机光伏电池的光伏转化的关键功能层只有100纳米的厚度，其主要重量来自柔性的基板，一块有机光伏电池就像一张报纸一样，又轻又薄。此外，有机光伏电池用于光电转化的关键材料为高分子有机材料，具备柔性的特点，可以把它做成大规模柔性器件。
有机光伏电池是半透明的，可以调节颜色，使其绚丽多彩，可用于装饰。建筑物外墙五颜六色的玻璃，在阳光下闪闪发光，它们可能并不是简单的玻璃，而是能将吸收的光能转化为电能的建筑功能一体化的有机光伏玻璃。这种玻璃在作为装饰物的同时，还将光能转化为电能，为室内供电。有机光伏电池多彩的特点源于有机材料相对于无机材料来说，它的吸收光谱可以在大范围内调制。通过调制，有机光伏电池就能呈现出多彩的外观。
国内外相关领域专家也在积极探索，希望能发展出转化效率高、透光、多彩的建筑功能一体化的光伏玻璃。中国科学院化学研究所研究员侯建辉介绍，目前，用于建筑外墙或是窗户的稍微高端一些的玻璃大都是夾层玻璃，即两层玻璃，中间空隙充入氮气，其实充入氮气的那一层就是很好地可以把有机光伏电池引入的地方。这样，就能实现玻璃既透光、好看多彩，又能将光能转化为电能进行使用。
此外，与无机太阳能电池使用的材料相比，有机半导体材料的原料来源广泛且廉价，加工制备的工艺简单和灵活，生产能耗也更低。
有机光电功能材料具有多样化的结构组成和宽广的性能调节空间，可以通过分子设计来获得所需的性能，已经成为发光领域以及光伏领域的研究热点和前沿，成为21世纪化学及材料科学领域重要的研究方向之一。
转化室内弱光的独特功能
未来，有机光伏电池除了能用在我们熟知的室外太阳能路灯、沙漠戈壁的光伏农场等处，它还能用在接触不到太阳光的室内。但没有太阳怎么进行能量转换呢？
有机光伏电池有一个独特的功能，一个其他类型的光伏电池不具备的功能，就是能将室内的弱光高效地转化为电能。这个功能使有机光伏电池有望成为驱动在室内使用微电池产品的动能的来源。侯建辉介绍，科技组里已经展示了有机光伏电池这一功能的应用潜力——将有机光伏电池安装在一个具备无线通信功能的湿度传感器上，这个传感器就再也不需要充电了，只要把它放在室内光能照到的地方，它就可以不断通过无线传输的方式告诉电脑终端这里的湿度是多少。
上述例子只是一个简单的应用，如果把有机光伏电池和其他微电子产品整合起来，它就可以赋予一些低能耗的微电子产品无电源化设计的独特解决方案。
有机光伏电池转化效率如何
光伏电池并不能把光能百分之百转化为电能，前面提到光伏电池是将光能转化为电能的 “中间商”，这就像“中间商赚差价”一样，从光能向电能转化的过程是有损耗的，能转化多少、损耗多少，这和光伏电池的效率有关。有机光伏电池效率体现在两类效率上，一是广泛用来评估光伏电池将光能转化为电能效率的对标准太阳光的转化能力，二是在应用场景下的光电转化效率。
光伏电池标准太阳光下的光电转化效率，是用来评估所有的光伏电池在室外太阳光直射条件下，光伏电池将光能转化为电能的能力。有机光伏电池能达到的效率在18%左右。侯建辉领导的研究团队研发制造的大面积涂覆的有机光伏电池——具有出色可加工性的有机光伏电池，其效率达到17%～18%。这个效率和现在较为成熟的无机晶硅光伏电池还存在一定的技术上的差距，无机晶硅光伏电池的转化效率可以达到25%左右。
在光伏电池或者光伏转化装置在应用场景下的光电转化能力方面，有机光伏电池在某些环境和应用场景中具有一定的优势。例如，在室内弱光环境下，有机光伏电池对室内光的转化效率比无机光伏电池更高。在室内光下，有机光伏电池的效率可以达到30%以上，而在同样的室内光照条件下，无机光伏电池以及其他类型的电池，其效率约为5%（甚至更低），远低于有机光伏电池。这是有机光伏电池适合于在室内光条件下应用的一个重要原因。
在两类效率上，有机光伏电池有它的“特长”——对室内光转化效率高，但在室外的应用它还略有短板，有待提高。
有机光伏电池的未来发展方向
可再生清洁能源是非常理想的能源，不受能源短缺影响的同时还环保、安全、无污染，但受到自然条件影响，水力、风力、太阳能等发电成本相对较高，需要较高的投入和维护费用，其转化效率也不够高。
就太阳能（光能）的有效利用来说，光伏电池的能量转换效率、寿命和成本是决定其是否具有应用价值的重要指标，侯建辉介绍，未来他们将在这三方面进行努力探索。在光伏效率方面，他们需要使有机光伏电池达到或接近现有的成熟光伏技术的同等水平，把光伏效率提高到22%，甚至接近25%的水平。另外，因为没有批量化制备和专门设计简单结构的材料，现在的有机光伏电池的材料合成成本比较高，未来还需要使现在的有机光伏材料的合成成本大幅度降低，满足未来产业化的需求。在有机光伏电池寿命方面，根据实验室的测试来看，有机光伏电池在实验室光照条件下照射几千个小时完全没有问题。但是在室外条件下，太阳光不仅有光的特征，还会带来热，有机光伏电池必须解决在室外太阳光直射下的稳定性问题。因此，效率、成本、稳定性是有机光伏电池未来要解决的关键问题。
此外，未来有机光伏电池在研究制备的过程中，绿色环保方面的问题也要关注。在有机光伏电池发展之初，采用的整个工艺并不是环保的，其实现在高效率电池大多数都不是采用环保工艺制备出来的。所谓环保工艺，印刷本身是低能耗的，从能耗角度来说，它是环保的;但是印刷有机光伏电池时必须要用到油墨，也就是我们处理有机光伏材料所使用的有机溶剂，现在大多数的高效率电池都采用有毒的溶剂进行加工，这是其中隐含的很大的问题。关于这个问题，国内外专家都开展了前瞻性的工作，比如，侯建辉团队已经可以完成在制备过程中替代掉以前的有毒溶剂，采用绿色的制备工艺得到高效率的有机光伏电池。可以说，有机光伏电池未来在制备中是可以达到相对环保的。
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