蔡家伟，任海洋（南阳理工学院建筑与城市规划学院，河南省南阳市 473004）

有机聚合物太阳能电池在建筑中的应用

蔡家伟，任海洋
（南阳理工学院建筑与城市规划学院，河南省南阳市 473004）

介绍了太阳能光伏技术应用于建筑的相关政策法规及制造有机聚合物太阳能电池的高分子材料。为提高能源转化效率及太阳能电池的稳定性与耐久性，需要对半导体聚合物及形成的发电层和元件的构造进行改进。太阳能应用于建筑领域时，应有效利用外墙和窗户等侧面。有机聚合物太阳能电池具有成本低、质量轻的特点，可以通过狭缝型挤压式涂布、喷墨打印、丝网印刷等方法大规模制备，能制备成柔韧性薄膜。因此，太阳能在建筑领域有很大的应用前景。

太阳能电池 聚合物 薄膜 建筑 应用

建筑是人们生活的物质载体，2014年，我国建筑能耗占社会总能耗的41%。因此，降低建筑能耗指标成为节能减排和可再生能源的重要课题。

2015年12月召开的巴黎气候变化大会通过了全球气候变化新协定，为控制全球气温和温室气体排放设定一系列目标，这将推动世界转向更为清洁的能源，有助于迅速实现能源转型。本文综述了应用于有机太阳能电池的高分子材料的研究进展。

1 太阳能在建筑上的应用

太阳能作为一种清洁能源，具有取材方便、成本低廉的优势，越来越多的建筑开始使用太阳能。太阳能建筑应用的目标是利用太阳能满足建筑物的用能需求，包括供暖、空调、生活热水、照明、家用电器等方面的能源供给。太阳能建筑的未来目标是零能耗，甚至是成为可以输出能量的建筑，光热建筑一体化、光伏建筑一体化（BIPV）将成为建筑供能的主要形式。建筑产能构件的规模化应用将推动太阳能利用设备的电器化，因此，光热建材化、构件化，能源装置电器化是未来建筑利用太阳能的发展趋势。

2009年初，我国推出了《关于加快推进太阳能光电建筑应用实施意见》，其中明确指出，我国光伏建筑的应用是新能源开发利用的重中之重。同时，政府还推出了《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》及“太阳能建筑屋顶计划”。2009年7月，中华人民共和国科学技术部联合国家能源局、中华人民共和国财政部共同发布了《金太阳示范工程财政补助资金管理暂行办法》，以促进光伏发电产业技术进步和规模化发展，培育战略性新兴产业。

1.1 太阳能热利用技术

采用太阳能热利用技术的建筑应用包括被动式和主动式。被动式太阳能建筑的核心理念是在建筑中应用自然采光、自然通风，围护结构的保温、隔热、遮阳、集热、蓄热等被动技术。主动式太阳能建筑是通过太阳能集热系统、储热装置、输配系统和末端设备共同作用来实现建筑环境的调节［1］。我国的太阳能热利用技术已经产业化发展的是太阳能热水系统。大概有21个省、市、自治区出台安装太阳能热水系统的政策，主要集中在东部沿海地区和中部地区。建筑基本以12层为界，12层以下强制安装，12层以上鼓励安装。太阳能集热器是主动式太阳能系统中最重要的设备。

1.2 太阳能光伏技术

目前，我国应用于建筑的太阳能光伏技术有两种模式，即普通的光伏组件附着于建筑（BAPV）和BIPV。BAPV是将建筑物作为光伏方阵载体，光伏组件以一种建筑材料的形式出现（如光电采光顶、光电幕墙和光电屋顶等）；BIPV是将太阳能光伏发电系统从设计、施工到维护与建筑完美结合［2］。BIPV是光伏技术在建筑领域应用的理想模式，通常包括光伏与屋面结合、光伏与建筑立面结合、光伏与窗户结合、光伏与遮阳设备结合等。

2 有机聚合物光伏电池研究进展

目前，太阳能电池材料已经发展了三代。第一代是晶体硅太阳能电池材料，包括单晶硅和多晶硅，这类太阳能电池转化率好，但工艺复杂、价格高、能耗较高，且产生较大污染。第二代是无机薄膜太阳能电池材料，主要有碲化镉薄膜太阳能电池、铜铟硒薄膜太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池、铜锌锡硫薄膜太阳能电池、砷化镓薄膜太阳能电池。薄膜太阳能电池还有非晶硅薄膜太阳能电池和未商业化的钙钛矿混合薄膜光伏电池。无机薄膜太阳能电池的薄膜厚度为微米级，具有对太阳能量吸收率高、易取材、成本低、韧性强等优势，缺点是使用储量较少的稀土，且一些元素有毒。第三代是有机薄膜太阳能电池材料，与无机薄膜太阳能电池相比，有机薄膜太阳能电池成本低、质量轻，可以采用狭缝型挤压式涂布、喷墨打印、丝网印刷等方法大规模制备，能制备成柔韧性薄膜［3-4］，缺点是迁移率及转换效率低，稳定性与耐久性以及聚合物材料的溶解性与相容性较差。需要对半导体聚合物及形成的发电层和元件的构造进行改进，以提高能源转化效率以及稳定性与耐久性。

2014年，晶体硅太阳能电池的市场份额超过90.0%，薄膜电池占7.5%～8.0%。2015年6月，国家能源局、中华人民共和国工业和信息化部、国家认证认可监督管理委员会联合对外发布《关于促进先进光伏技术产品应用和产业升级的意见》，引导光伏技术进步和产业升级，实施“领跑者”计划。根据这项政策，多晶硅电池组件和单晶硅电池组件的光电转换效率分别达到16.5%和17.0%以上，可称为行业“领跑者”；而硅基、铜铟镓硒、碲化镉及其他薄膜电池组件的光电转换效率只需分别达到12.0%，13.0%，13.0%，12.0%以上就可获得这一称号［5］。

有机聚合物太阳能电池是由阴极、阳极以及光活性层构成。异质结型有机太阳能电池的关键部分是由电子给体材料和电子受体材料均匀混合所形成的活性层，活性层的主要成分可以是小分子材料或聚合物，给体与受体通过多种非共轭柔性链连接［6］。

2.1 给体材料

2.1.1 聚对苯乙撑（PPV）类

PPV类是最早用于电致发光的聚合物，具有较高的光电效率和光吸收系数（500 nm），广泛用于有机电致发光器件、有机太阳能电池等领域。PPV是一种空穴传输类型的共轭聚合物，单纯的PPV是一种不溶且不熔的固体，通过在苯环上改变取代基或在乙烯基上取代对聚合物进行修饰，可以合成结构、性能各异的衍生物。如引入长链取代基能够影响发射波长，增加溶解性，使聚合物能够溶解在三氯甲烷、四氢呋喃、甲苯等有机溶剂里，适合于旋涂工艺成膜；引入吸/给电子基团或片段，通过调节电子传输片段的比例，能够引发电子和空穴的迁移率的改变，达到电子和空穴的平衡注入，并可调控发光颜色，提高发光效率，控制发射波长；引入大体积基团形成非共平面的扭曲结构，可以减少链间聚集，减少荧光猝灭，提高聚合物和器件的稳定性［7］。

黄新东等［8］首先用3.00 phr PPV，4.00 phr聚苯胺，0.40 phr聚苯乙烯磺酸（PSS）制备膜基体材料；再将3.00 phr WO3，10.00 phr 8-羟基喹啉锂，4.00 phr碳酸铯，0.80 phr十二烷基磺酸钠，0.31 phr亚磷酸酯，0.60 phr碳化硅，0.80 phr三氧化钼，2.00 phr碳纤维粉在室温条件下混合均匀，加入2.00 phr热稳定剂月桂酸马来酸二丁基锡和5.00 phr紫外光吸收剂水杨酸苯酯继续搅拌，搅拌过程中加入膜基体材料，升温至200 ℃，保温2.0 h；制备的产物经单螺杆挤出机挤出、造粒并吹膜，得到了太阳能电池阴极、阳极界面修饰层膜材料。将该膜材料应用于有机光伏太阳能电池，其器件能量转换效率为20.36%，模拟使用寿命为23 145.0 h；而未使用该膜材料修饰的对照组太阳能电池器件的能量转换效率为38.00%，模拟使用寿命为8 871.0 h。

2.1.2 聚噻吩（PT）类

PT类有机材料是导电高分子材料。无取代基的PT不溶且不熔，尺寸小，具有类似芳环的结构，环境稳定性强，通过掺杂可具有发光性和导电性。PT衍生物可通过烷基取代PT制备，还可通过在侧链引入酯基、苯基、磺酸基、烷氧基等制备［9］，包括电化学聚合法、化学氧化聚合法、光电化学聚合法、光致聚合法、金属催化偶联法以及近年发展起来的酸催化聚合法和固相聚合法［10］。

使用结构修饰方法，在噻吩的3-位上引入烷基合成聚（3-己基噻吩）（P3HT），能降低PT分子链间的相互作用，提高导电性和可溶性。P3HT是研究广泛的高效光伏材料。王奇观等［11］以P3HT为电子给体材料，ZnO微纳米球为电子受体材料，P3HT的质量浓度为12 mg/mL，m（P3HT）∶m（ZnO）为1∶2，采用共混旋涂方法，旋涂转速为15 000 r/min，退火温度为120 ℃，制备了P3HT/ ZnO复合膜。结果表明，该复合膜能够拓宽紫外光吸收范围，增强对太阳光的吸收，提高电池效率。德国拜耳公司合成的聚乙撑二氧噻吩（PEDOT）是一种新型导电聚合物。单体乙撑二氧噻吩（EDOT）的制备方法包括五步法反应路线、四步法反应路线、二步法反应路线和一步法反应路线等。由EDOT合成PEDOT的方法包括化学氧化聚合法、电化学聚合法、沉积聚合法、固态聚合法等［12］。王亮亮等［13］以3，4-二甲氧基噻吩为原料合成了丙烯酸酯功能化的噻吩类单体，通过化学氧化聚合和刮涂方法在导电玻璃上制备了均匀稳定的可电致变色的丙烯酸酯功能化噻吩聚合物电致变色膜。功能化聚噻吩膜上的丙烯酸酯基团与可光固化电解质树脂发生化学反应，提高变色层与电解质层的界面结合力，复合膜的循环伏安特性稳定，可用于智能窗的制备。陆峰等［14］将质量比为1∶8的氧化石墨烯与十二烷基苯磺酸钠混合并配制成3 mg/mL的复合水溶液，将其混入PEDOT/ PSS溶液，制备了高透光率和低方块电阻的透明导电薄膜。当氧化石墨烯与PEDOT/PSS质量比为0.02%时，薄膜获得了最佳的导电率，在波长为550 nm时，透光率为87%。

2.1.3 聚苯胺（PANI）

PANI耐高温，导电性能、抗氧化性能较好，可通过化学氧化聚合法制备。在酸性介质中，用强氧化剂氧化苯胺（AN）单体，得到掺杂态的PANI。还可通过电化学氧化聚合法、等离子聚合法、真空蒸镀法和光聚合法等合成PANI。

陈飞［15］先制备了可加工的PANI胶态纳米粒子。在此基础上，以磷酸酯化聚乙烯醇（P-PVA）为稳定剂和共掺杂剂制备了PANI/P-PVA胶态纳米粒子。当P-PVA质量分数为40%时，制备出的球状PANI/P-PVA胶态纳米粒子，其干态粉末的电导率为6.94 S/cm。王香琴等［16］以AN为原料、过硫酸铵为氧化剂、十二烷基苯磺酸（DBSA）为活性剂和掺杂剂，通过乳液聚合制备PANI乳液。结果表明，常温条件下，n（DBSA）∶n（AN）为1.03 时，PANI的电导率可达1.28 S/cm，同时电致变色效果最佳。尚兴记［17］在室温条件下，采用导电PANI、导电石墨和炭黑为原料，共混后利用丝网印刷技术印刷在掺杂氟的SnO2导电玻璃（简称FTO导电玻璃）的导电面上，制备PANI/石墨/炭黑复合对电极。当PANI、石墨、炭黑的质量比为9.0∶1.0∶0.2时，使用该复合电极组装成的电池的光电转化效率达8.80%，开路电压和短路电流密度分别达到0.74 V和23.23 mA/cm2。邓姝皓等［18］采用电化学法制备了硫酸掺杂的p型导电PANI，采用化学法制备了萘钠掺杂的n型导电PANI，并将p型和n型导电PANI组装成太阳能电池。该太阳能电池的开路电压为1.65 V，短路电流为1.66 mA/cm2，光电转换效率为2.96%。

2.1.4 聚吡咯（PPy）类

PPy类是一种具有杂环的共轭导电材料，采用电化学氧化聚合法可以在电极表面直接生成导电性薄膜。刘琴［19］分别以甲基橙和十六烷基三甲基溴化铵为模板剂，溶解于去离子水，加入吡咯单体充分混合，将 FTO导电玻璃浸没于上述混合液中，再加入与吡咯单体物质的量相同的FeCl3·6H2O反应。反应结束后，将生长了一层PPy的FTO导电玻璃分别于去离子水、乙醇中浸泡、洗涤数次至洗涤液无色，得到棒状PPy对电极和球状PPy对电极。通过循环伏安电沉积法将Pt纳米颗粒沉积在PPy纳米棒上，制备了PPy/Pt 复合材料，并将其作为对电极应用于有机太阳能电池，其光电转换效率达到 7.08%。

2.2 聚合物受体材料

大部分有机太阳能电池以富勒烯做为电子受体材料，设计及合成新型的富勒烯衍生物可改善有机太阳能电池性能。张晓娜［20］通过经典的Patro反应，设计并合成了新型单吲哚和双吲哚取代的富勒烯衍生物，并将这两种材料用于聚合物太阳能电池受体材料，给体材料选取P3HT，制备了聚合物太阳能电池器件。当退火温度为150 ℃，给体材料与受体材料质量比为1∶1时，聚合物太阳能电池的能量转换效率分别为 3.32%，3.23%。

其他受体材料还有苝二酰亚胺衍生物受体材料、联亚芴类受体材料、二酮吡咯并吡咯受体材料以及共轭聚合物受体材料等［21］。

3 有机聚合物电池在建筑上的应用

目前，太阳能电池主要安装在面积大、日照强的场所；但这种条件较好的场所已经越来越少。今后，除了与地面平行的安装面之外，还必须利用与地面垂直的安装面。有机聚合物太阳能电池的特点是质量轻、具有可应对曲面的柔性而且较薄（仅为硅类太阳能电池的1/1 000），在建筑物上的应用前景广泛。

2014年6月，日本大成建设集团在横滨市户塚区的技术中心建设了“ZEB（能源消耗量和产出量收支为零）实证楼”，其目标是由超节能和设置在建筑物上的创能设备实现年均能源零收支，定位是在市中心的狭窄区域也能实现零能耗的“城市型零能耗建筑”。“ZEB实证楼”年均能耗可比普通办公楼削减75%。为这幢楼提供全部所需能源的“发电建筑物外墙单元”使用的是日本三菱化学公司颜色自由度高、薄型轻量的有机薄膜太阳能电池。该电池为半透明薄膜状，转换效率约为3.00%，夹在双层玻璃中间或黏贴在玻璃窗上使用，预计使用寿命为5～10 年［22］。

2015年9月，德国贝莱瑞克光伏公司与建筑公司合作，在埃塞俄比亚首都亚的斯亚贝巴非洲联盟（简称非盟）安全部安装了世界上最大的有机BIPV阵列（见图1）。该BIPV阵列安装在屋顶，外形模拟非洲大陆的形状，使用了445块透明的有机太阳能模块，透光率75%，系统可以为整幢建筑的发光三级管系统提供电力支持。不需要脚手架，仅用5天就完成了系统的安装。这种透明、多变与多彩的有机光伏模块，能更完美地与建筑物结合，也为设计师带来更多的灵感，使建筑物的形式多样化，将有很大的商业价值［23］。

图1 非盟安全部屋顶的BIPV阵列Fig.1 BIPV array on the roof of Ministry of Security Building，UA

德国Heliatek有机BIPV公司为新加坡的一个试点工程提供注册商标为HeliaFilm®的有机BIPV模块，评估模块在高温潮湿气候中的性能和耐久性。作为新加坡未来能源结构创建基础计划一部分，于2015年5月开始实施，运行至少18个月。期间工程师将测试各种型号与色彩的HeliaFilm®有机BIPV模块，包括全功率不透明的模块、透光率分别为15%和30%的模块等。Heliatek公司的有机光伏电池转换效率可达12.00%。

4 结语

要实现“城市型零能耗建筑”，需要利用太阳能确保更多的发电量。除了在房顶上设置太阳能电池板外，还必须有效利用外墙和窗户等侧面；但在外墙设置的话，尺寸和颜色等要符合建筑物要求的设计，需要具备灵活性和轻量性；另外，由于建筑物的寿命越来越长，设备的更新等也要求能容易地进行。可支持外墙的太阳能电池板应尽快进入商业实用化阶段。对于有机聚合物太阳能电池，需要对半导体聚合物及形成的发电层和元件的构造进行改进来提高能源转化效率以及稳定性与耐久性。

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Application of organic polymer solar cell in building

Cai Jiawei， Ren Haiyang
（School of Architecture and Urban Planning， Nanyang Institute of Technology， Nanyang 473004， China）

This paper describes the policies and regulations for solar photovoltaic technology in building as well as polymer materials used for preparing organic polymer solar sell. The semiconductor and the electric layer it forms and the structure of its element need to be modified to improve the efficiency of energy conversion，durability and stability of the solar cell. The exterior wall and side of window are supposed to be utilized effectively for solar energy in buildings. The organic polymer solar cell， featuring low cost and weight， can be prepared as flexible film commercially by ink-jet printing， screen print and slot die coating， which implies wide-ranging domestic， commercial and industrial applications in buildings.

solar cell； polymer； film； building； application

TQ 324.2

A

1002-1396（2016）04-0088-05

2016-01-27；

2016-04-26。

蔡家伟，男，1977年生，硕士，讲师，研究方向为建筑节能、绿色建筑。联系电话：13838966139；E-mail：nycjw@163.com。