聚合物太阳能电池材料的研究进展
聚合物本体异质结型太阳能电池研究进展
基金项目:国家自然科学基金(59983001);作者简介:王彦涛(1979-),男,硕士研究生,主要从事光电功能材料的研究。
聚合物本体异质结型太阳能电池研究进展王彦涛,韦 玮,刘俊峰,张 辉(西安交通大学环境与化学工程学院,西安710049) 摘要:聚合物本体异质结型太阳能电池是一种基于电子给体/受体混合物薄膜的高效率有机光伏器件。
文中介绍了近年来聚合物本体异质结型太阳能电池的最新研究进展,指出了目前存在的问题和今后的发展方向。
关键词:有机太阳能电池;共轭聚合物;异质结随着全球对能源需求的日益增加,石油、煤炭、天然气等传统能源日益枯竭,地球每年吸收的太阳能为5.4×1024J 左右,相当于目前世界上所有可用能源的几万倍。
因此太阳能的利用,尤其是直接利用太阳辐射转变为电能的太阳能电池的应用,特别受人关注。
目前,太阳能电池有很多种,几乎所有商品化的太阳能电池都是由硅或者无机化合物半导体制成,然而其高成本,制造过程当中的毒性和不易柔性加工等缺点,使得人们从上个世纪70年代开始关注有机太阳能电池研制,尤其是共轭聚合物太阳能电池的研究更是近年来研究的一个热点。
这种聚合物电池具有很多独特的性质,如:可提供湿法加工成膜(旋涂、刮涂及丝网印刷等);可制成柔性器件、特种形状器件以及大面积器件;共轭聚合物很容易和其他有机或者无机材料共混而制备杂化器件等等。
目前,纯聚合物太阳能电池光电转换效率大都很低[1],为1%～2%,制约其能量转换效率的主要因素是电池的光谱响应与太阳光地面辐射不匹配、载流子在势场中的迁移率以及载流子的电极收集效率低等。
光诱导电荷转移现象的发现[2,3],使得聚合物太阳能电池的效率有了大幅提高。
如Saricifici 等[4]发现聚2-甲氧基252(22己基己氧基)21,42对苯撑乙烯(MEH 2PPV )与C 60的复合体系中存在光诱导电子转移现象。
利用共轭聚合物作为电子给体材料(D ),有机小分子或者无机半导体作为电子受体材料(A )制成复合薄膜,通过控制相分离的微观结构形成互穿网络,从而在复合体中存在较大的D/A 界面面积,每个D/A 接触处即形成一个异质结,同时D/A 网络是双连续结构的,整个复合体即可被视为一个大的本体异质结,以这种复合体薄膜为活性层的太阳能电池被称为聚合物本体异质结型太阳能电池。
P3HT／PCBM太阳能电池的研究进展
ｏ ｎ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ ｏ ｆ ｄ ｏ ｎ ｏ ｒ ａ ｎ ｄ ａ ｃ ｃ ｅ ｐ ｔ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ，ａ ｄ ｄ ｉ ｔ ｉ ｖ ｅ ，ａ ｎ ｄ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｅ ｐ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ｓ ．Ｔｈ ｅ
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能 源危机 已成 为人 类 生 存及 社 会 经 济 发 展 急需 解 决 的 重要 问题 ， 世 界各 国都 在开 发绿 色环 保 的新 能 源 。太 阳能 作
研 制 出效 率为 ６ 的实用 型 单 晶硅 电池 ， 为太 阳能 电池 技 术 的研 究拉 开 了序幕 ］ 。 目前 研 究 和 应 用最 广 泛 的单 晶硅 、 多 晶硅 和 非 晶 硅 等 无 机 太 阳 能 电 池 已 经 取 得 了 极 大 的 进 展［ ４ ］ ， 然 而 由于其 本 身加 工工 艺 复 杂 、 对 材料 要求 高 ， 因而
为 一种 易于获 取 、 安全 、 洁净无 污染 的新能 源 ， 为人 们 解决 能
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聚合物太阳能电池光敏层材料的研究进展
一层大颗粒的散射层, 提高光阳极对光的捕获和吸收 效率, 与不添加散射层比较, 将电池效率提高了 64%.
本文探讨了染料敏化太阳能电池 TiO2 电极制作 工艺的优化, 主要包括改变 TiO2 薄膜厚度, 用四氯 化钛处理 TiO2 电极以及添加大粒子散射层. 从纳米 晶颗粒的堆积方式以及电接触、电极的光谱响应提高 光阳极性能, 研究其对电池效率的影响. TiO2 薄膜厚 度对 DSSC 的光电转换效率有重要影响, 本文通过研 究不同厚度的 TiO2 薄膜与电池各性能参数的关系, 得到了最佳的 TiO2 薄膜厚度. 实验表明, 在一定范 围内增加半导体薄膜厚度, 可以增加染料吸附量, 从 而提高电池效率, 但当厚度超过 14 μm 时, 电池的各 性能参数均明显下降. TiCl4 处理电极后, 纳米晶颗粒 间化学连接作用增强, 减小电子在纳米晶颗粒间的 传输电阻, 降低电子与空穴的复合, 电池的开路电 压、短路电流及填充因子都得到提高. 研究表明, 散 射层的添加可以提高 DSSC 的光电转换效率[7,8], 但 大多数研究都集中在染料吸附量的比较上面, 本文 通过对大粒子散射层的光吸收率的测量, 发现散射 层可以拓宽光阳极的光电响应范围, 提高电极对近 红外光的吸收.
TiO2 薄膜作为染料吸附、电子传输的载体, 是染 料敏化太阳能电池的关键, 其性能直接影响电池的 效率[3]. Ito 等人[4]采用丝网印刷技术制备 TiO2 薄膜, 当薄膜厚度达到 12~14 μm 时电池效率达到 10.1%. Ito 等人[5]的研究表明, 对导电基底进行 TiCl4 预处理 会在其表面形成一层 TiO2 微晶结构, 这样的结构有 利于电子从 TiO2 薄膜向基底传输. 另一方面, 覆盖 TiO2 薄膜之后的电极进行 TiCl4 处理, 增强了纳米晶 颗粒间的化学连接作用, 减小电子在纳米晶颗粒间 的传输电阻, 减弱电子的复合效应, 将电池的转化效 率提高了 15%. Lee 等人[6]通过在纳米晶薄膜上覆盖
太阳能电池中有机聚合物材料的研究应用
太阳能电池中有机聚合物材料的研究应用一、概述太阳能电池是一种将光能转化为电能的装置，其中有机聚合物材料作为一种新型的太阳能电池材料，吸引了广泛的关注和研究。
有机聚合物材料具有易制备、可塑性好、成本低等优点，因此在太阳能电池中应用具有广阔的前景。
二、有机聚合物材料的介绍有机聚合物材料是指由有机分子通过化学键链接而成的大分子材料。
这种材料具有很多有用的性质，如可塑性好、易加工、低成本、轻质等。
因此，在太阳能电池中应用具有广泛的前景。
三、有机聚合物材料在太阳能电池中的应用有机聚合物材料在太阳能电池中的应用主要表现在以下几个方面：1. 有机太阳能电池有机太阳能电池是一种利用有机聚合物薄膜作为太阳能电池的光伏材料的一种设备。
与传统的硅基太阳能电池相比，有机太阳能电池具有更便宜的制造成本、柔性和轻质等特点。
2. 透明有机太阳能电池透明有机太阳能电池是一种开发成为透明的有机聚合物薄膜太阳能电池的光伏设备。
这种透明太阳能电池可以应用在诸如机动车、建筑物和移动设备等领域，能够在不影响外观的情况下向内供电。
3. 有机-无机混合太阳能电池有机-无机混合太阳能电池是一种将有机聚合物与无机半导体材料混合的太阳能电池。
这种混合太阳能电池具有兼顾两种材料优点的特点，既具有有机聚合物的可塑性、易加工、低成本等特点，也具有无机半导体的良好电子传输性能等特点。
四、有机聚合物材料应用的优点1. 成本低有机聚合物材料的制备成本相对较低，大大降低了太阳能电池的制造成本。
2. 可塑性好有机聚合物材料具有非常好的可塑性，可以通过各种加工工艺制成各种形式的太阳能电池。
3. 良好的光学性能有机聚合物材料具有良好的光学性能，能够将太阳光转化为电能的效率提高。
五、有机聚合物材料应用的瓶颈1. 效率低当前有机聚合物材料太阳能电池的转换效率仍然比较低，限制了其在大规模应用中的发展。
2. 稳定性差有机聚合物材料的稳定性不如无机半导体太阳能电池，可能会影响太阳能电池的寿命和稳定性。
聚合物电池的研究与应用前景
聚合物电池的研究与应用前景电池技术是人类近代科技的基石之一，它在电子设备、交通工具、航空航天等领域得到广泛应用。
而在电池技术中，聚合物电池，特别是锂聚合物电池因其高能量密度、长寿命、低自放电率等特点，逐渐受到关注。
本文将从聚合物电池的基本结构、研究现状、应用前景等方面展开阐述，以期能为相关领域的读者提供参考。
一、聚合物电池的基本结构聚合物电池与传统的金属锂电池、镍氢电池不同，它是一种以聚合物材料为正极、负极材料的电池。
聚合物材料因其和导电剂混合后可形成高导电性供电大面积的完整膜结构，具有独特的优点。
其中，聚合物电池的正极通常采用具有高氧化还原电位的高分子材料，如聚环氧苯、聚二酚醚二甲醚、聚苯乙烯等；而聚合物电池的负极则采用电导性较好的碳、石墨等材料制成。
聚合物电池的电解液主要由聚合物溶剂/离子液体等组成，电解液需要有良好的传质性、离子导电性和化学稳定性。
最后，聚合物电池的电池芯由正极、负极、电解液等组成。
由于聚合物材料中不含游离的金属离子，其放电过程中无形成金属锌、镍等的较大体积变化，因此聚合物电池具有不易发生内热，具有更广泛的工作温度范围，且经过改进的聚合物电池可达到更高的能量密度。
二、聚合物电池的研究现状聚合物电池是一种新型电池，因此其研究现状也颇具前沿性。
目前，各国的科学家和企业都在大力研发聚合物电池，以便为电动汽车、智能手机、折叠电子设备等领域提供更加持久的电力支撑。
1、研究聚合物电解液聚合物电解液是聚合物电池中最为关键的组成部分之一，其不仅决定了电池的性能稳定性和可靠性，而且对电池的安全性有着很大的影响。
因此，聚合物电解液的研究备受关注。
目前，研究人员主要从聚合物离子液体、聚合物溶剂、气体透过膜、质子交换膜等多个方面入手，优化聚合物电解液的分子设计、离子对接等参数，以提高聚合物电池的电化学性能和稳定性，并降低其制造成本。
这些研究成果为聚合物电池的开发与量产提供了更良好的技术支撑。
2、聚合物太阳能电池聚合物太阳能电池也是一件受人关注的领域之一，在聚合物太阳能电池中采用的聚合物半导体材料减少了材料使用成本、制备工艺要求、环境污染等问题，因而具有更广泛的应用前景。
聚合物材料在光伏电池中的应用研究
聚合物材料在光伏电池中的应用研究第一章引言光伏电池是将光能转换成电能的装置，近年来随着环保理念逐渐普及，太阳能发电逐渐受到关注。
然而，光伏电池组件的效率及寿命很大程度上取决于材料的质量，因此寻找更好的光伏材料成为光伏研究的重要课题之一。
近年来，聚合物材料在光伏电池中的应用得到了广泛关注，本文旨在介绍聚合物材料在光伏电池中的应用研究。
第二章光伏电池的基本原理光伏电池是将太阳光转化成电能的设备，它是太阳能发电的核心部件。
光伏电池的基本工作原理是光子能量被半导体材料吸收后，激发材料内的电子成为自由电子。
这些自由电子在电场的作用下产生电流，从而形成电能输出。
通常，光伏电池可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅和无机材料等不同类别。
第三章聚合物材料在光伏电池中的应用3.1 聚合物太阳能电池的工作原理聚合物材料是指由单体分子通过共价键连接而成的高分子化合物，是一类能够在原子和分子水平上控制电子输运特性和光电性质的材料。
聚合物太阳能电池是将半导体聚合物作为在光电能量转换中，代替传统的无机电子分立式半导体的材料。
可以说是一种新型的高效、低成本、轻量、稳定、可撤销性质的太阳能电池。
聚合物太阳电池的主体结构是由有机材料在n型和p型半导体材料之间形成pn结构。
在均匀的强电场情况下，光子通过pn结被吸收，被吸收后的光子激发了pn结中电子和空穴的形成，空穴从p型材料的高浓度区移到n型材料的高浓度区，形成电流。
3.2 聚合物材料的特性相对于无机材料，聚合物材料在吸光、电荷传输和界面行为等方面有很多优越性能：（1）较高的吸收系数：聚合物材料的吸收系数在可见光范围内较大，同时也有较宽的吸收区域。
（2）波长可调节：具有不同的结构及基团的聚合物材料可以实现波长可控制。
（3）易于加工：聚合物材料有很好的可加工性，可以用常规的溶液旋涂技术制备大面积薄膜。
（4）低成本：相对于无机材料，聚合物材料的制备成本低廉。
（5）环境友好：由于聚合物材料可回收利用和可降解，因此被认为是环境友好型材料，符合现代社会可持续发展的要求。
聚合物太阳能电池的原理及应用前景
聚合物太阳能电池的原理及应用前景随着化石能源的枯竭和环境问题的日益突出，人们开始转向可再生能源的开发和利用。
太阳能作为最常见的可再生能源之一，其占有量巨大，贡献可观。
因此，太阳能电池已经成为人们日常生活和生产中必不可少的能源设备。
而聚合物太阳能电池，是目前市场上最受关注的太阳能电池之一，其具有的高效性与可降低制造成本的特点，让它备受欢迎。
一、聚合物太阳能电池的原理聚合物太阳能电池是利用了一种称为“共轭聚合物”的半导体材料制作而成。
此类材料能够将太阳光能转化为电能。
在当今市场上，聚合物太阳能电池主要有三种类型，包括全聚合物太阳能电池、聚合物/无机太阳能电池和混合太阳能电池。
全聚合物太阳能电池的制造过程非常单一，只需要将电子给体和受体充分混合即可。
此时在材料中会形成复合物，进而形成了完整的光电转换器件。
聚合物/无机太阳能电池结构比全聚合物太阳能电池更为复杂，包括一个或多个界面且需要控制聚合物与无机材料之间的微观结构。
混合太阳能电池是目前研究得最为深入的一种。
其将电子给体与无机电子受体直接组合在一起，利用两者间的互补作用来提高太阳能电池的性能。
二、聚合物太阳能电池的应用前景聚合物太阳能电池具有很高的应用价值和广阔的应用前景。
首先，相比于传统的硅基太阳能电池，聚合物太阳能电池成本更低，生命周期更长，可重复使用。
另外，聚合物太阳能电池的较低制造温度和灵活性使其可以被制成非常薄的材料，适用于多种不同的应用领域，如便携式电子设备、智能家居、太阳光伏农业、建筑物外墙、建筑顶部和汽车车身等。
其次，聚合物太阳能电池在能量转换效率方面也取得了重大进展。
目前，聚合物太阳能电池的效率已经高达16%以上，而且还有望进一步提升。
这使得聚合物太阳能电池对于光伏发电领域的应用来说具有更大的竞争优势。
研究和开发聚合物太阳能电池对于科学发展和经济建设都是极其重要的。
未来，聚合物太阳能电池有望为我们带来更加绿色的能源，减少污染和环境破坏，保护地球的生态环境。
聚合物太阳能电池材料
应用领域拓展案例
建筑一体化
将聚合物太阳能电池与建筑材料相结合，实现建筑一体化的光伏 发电系统，提高建筑能效。
可穿戴设备
利用柔性聚合物太阳能电池为可穿戴设备供电，实现设备的长时间 稳定运行，提高用户体验。
移动电源
将聚合物太阳能电池应用于移动电源领域，开发出轻便、高效、环 保的移动充电解决方案。
05
研究方法
介绍本研究采用的研究方法，包 括材料制备、器件制备、性能测 试等方面。具体方法如溶液法、 气相沉积法、光谱分析法等。
02
聚合物太阳能电池材料基础
聚合物材料种类与特点
共轭聚合物
具有优异的导电性能和光电性能 ，是制备太阳能电池的主要材料
之一。
嵌段共聚物
由两种或多种不同的聚合物链段组 成，具有独特的光电性能和形态结 构。
界面工程与器件结构优化
界面修饰层
01
引入界面修饰层，优化活性层与电极之间的界面接触，降低能
量损失，提高光电转换效率。
活性层厚度调控
02
通过调控活性层的厚度，实现光吸收和载流子传输的平衡，优
化电池性能。
器件结构创新
03
开发新型器件结构，如叠层电池、多结电池等，突破单结电池
的效率极限。
稳定性提升途径
1 2 3
材料稳定性
选用具有高化学稳定性和热稳定性的材料，降低 电池性能衰减速度，提高电池寿命。
界面稳定性
通过界面工程技术，提高界面的稳定性，防止界 面处的电荷复合和泄漏，保持电池长期稳定运行 。
封装技术பைடு நூலகம்
开发高效、环保的封装材料和技术，保护电池免 受外界环境因素的影响，提高电池的稳定性。
04
研究进展与成果展示
有机化学中的聚合物的能源与储能应用
有机化学中的聚合物的能源与储能应用聚合物是一种由重复单元组成的大分子化合物，是有机化学中的重要研究对象之一。
近年来，随着能源和环境问题的日益突出，聚合物在能源和储能领域的应用也越来越受到关注。
本文将探讨有机化学中聚合物的能源与储能应用的研究现状和前景。
一、聚合物在能源领域的应用1.1 聚合物太阳能电池太阳能电池是利用太阳能将光能转化为电能的设备，具有可再生、环保的特点。
聚合物材料作为太阳能电池的关键材料之一，具有吸光性能好、成本低、加工方便等优势。
目前，聚合物太阳能电池已取得了一定的研究成果。
例如，以聚合物为活性层的有机薄膜太阳能电池在转化效率和稳定性方面有了显著的提高。
此外，还有基于聚合物纳米光子晶体的太阳能电池等新型结构的研究进展。
这些研究为聚合物太阳能电池的进一步发展提供了思路和技术基础。
1.2 聚合物燃料电池燃料电池是一种利用化学反应将燃料的化学能转化为电能的装置。
聚合物材料在燃料电池中扮演着重要的角色，可以作为催化剂载体材料、电解质材料等。
目前，聚合物燃料电池已成为研究的热点之一。
例如，具有高导电性和较好耐化学腐蚀性的聚合物复合电解质的研究成果表明，聚合物材料在燃料电池中有着广阔的应用前景。
此外，还有基于聚合物质子交换膜的燃料电池等新型结构的研究进展。
二、聚合物在储能领域的应用2.1 聚合物锂离子电池锂离子电池是目前最为常见的一种可充电电池，广泛应用于移动电话、电动车等领域。
聚合物材料在锂离子电池中作为电解质材料具有重要的作用。
聚合物锂离子电池的研究成果表明，以聚合物为电解质的锂离子电池具有较高的离子导电性和较好的机械柔韧性，可以解决传统锂离子电池中容易发生热失控等问题。
此外，还有一些基于聚合物材料改性的锂离子电池新技术，如固态聚合物电解质锂离子电池等。
2.2 聚合物超级电容器超级电容器是一种新型的储能设备，具有高能量密度、快充快放、长循环寿命等特点。
聚合物材料在超级电容器中作为电解质材料具有重要的作用。
聚合物材料的应用领域与研究进展
聚合物材料的应用领域与研究进展随着现代科学技术的发展，聚合物材料已经成为了现代化学和材料科学的一个重要的分支领域。
其在生产、生活、军事等方面发挥了越来越重要的作用，并成为了人类社会不可或缺的一部分。
聚合物材料的应用领域广泛，涉及到了众多领域，如电子、医疗、建筑、包装、汽车、能源等。
本文将围绕聚合物材料的应用领域及其研究进展进行探讨。
一、电子领域聚合物材料在电子领域中的应用越来越广泛。
例如 OLED 显示器及照明器具，它们广泛使用聚合物作为单元材料来提高效率和耐用性。
在这个过程中，电子聚合物可以用作光电转换层，捕获和转换光线，同时聚合物复合体可以作为LED封装材料和电子封装材料使用。
另外，聚合物太阳能电池在太阳能电池方面也非常重要，目前已经成为取代传统硅太阳能电池的主流技术之一。
球墨铸铁聚合物是一种在高电压条件下工作的高效电容器材料，聚合物铸造中的球墨铸铁材料具有重要的电气性能。
此外，在电子产品的生产工艺中应用聚合物材料可以提高生产效率，并具有卓越的性能和可靠性。
二、医疗领域聚合物材料在医疗领域中的应用越来越广泛。
例如，氨基酸聚合物可以被用作植入体和人工骨骼的基础材料。
同时，水凝胶聚合物可以用于医疗敷料，像疗伤、止血、杀菌和保持伤口湿润等。
聚合物用于微脊椎植入设备、心内膜及心包疾病修复、牙齿矫正、可降解药物释放及减肥小器械等都具有广泛应用。
聚合物材料可以为手术、病理检查等提供更灵活、更精准的选择。
例如，聚合物可以用于制造便携式电子设备带来的医疗成像设备，增加病人的便利性和体验性。
三、建筑领域目前，聚合物材料在建筑领域中的应用越来越多。
例如聚合物胶凝材料、隔音吸音材料、聚合物泡沫塑料、高效防水材料等重要的材料都具有非常广泛的应用，能够提高建筑材料的性能。
同样，聚合物材料还可以进行再生处理，这样更有益于环境治理和可持续发展。
四、包装领域聚合物材料在包装领域中的应用广泛，如食品和药品包装、家电包装、纸张塑料复合物等。
聚合物材料在能源领域中的应用研究
聚合物材料在能源领域中的应用研究随着全球对能源安全和可持续发展的日益重视，研究新型、高效的能源材料成为了当今社会的热门话题。
在这样的背景下，聚合物材料逐渐成为了能源领域中的一种重要材料，应用范围广泛，包括太阳能电池、锂离子电池、超级电容器等。
本文将深入探讨聚合物材料在能源领域中的应用研究，并介绍一些相关案例。
1. 太阳能电池太阳能电池是目前最为流行的新型太阳能发电技术之一。
其中，有机太阳能电池是通过使用聚合物材料作为电子受体的一种光电转换装置。
可以将太阳光辐射转化为电能，从而实现自然能源的有效利用。
相对于传统的无机太阳能电池，有机太阳能电池较为轻便、柔性性强，因此具有更多的应用优势。
有机太阳能电池使用的最常见的聚合物材料是聚苯基乙烯（PS）和聚苯乙烯（PS）。
这些材料具有良好的光电特性和稳定性，同时还能够进行大规模制备，因此成为了有机太阳能电池研究的重点。
在有机太阳能电池的研究中，聚合物材料的设计与合成是关键。
科研人员需要在聚合物上引入不同的基团和化学键，以调节其能带结构和光吸收特性。
例如，通过引入吸收光谱与太阳光辐射波长重合的电子受体基团，可以有效提高有机太阳能电池的光电转换效率。
2. 锂离子电池锂离子电池是目前电子设备中最为流行的电池类型之一。
其中，聚合物电解质材料可以有效提高锂离子电池的性能和稳定性。
聚合物电解质材料具有柔性、轻量化、阻燃和化学稳定性等优点，因而得到了广泛的关注和研究。
聚合物电解质材料的研究重点在于其导电性能和稳定性。
研究人员需要设计具有良好离子导电性的聚合物材料，并寻找合适的添加剂和制备工艺，以提高其离子传输速率和电池性能。
近年来，一些具有多种功用的聚合物材料，如聚合物电解质/隔膜复合材料、聚合物负极复合材料等逐渐得到了研究人员的重视，这些复合材料具有更高的电池性能，可以满足更加严格的应用需求。
3. 超级电容器超级电容器是目前电池领域中新兴的电学存储设备。
其优点在于高功率、高能量密度、长循环寿命和快速充放电等。
太阳能电池技术的新进展与发展趋势
太阳能电池技术的新进展与发展趋势随着世界各国对可再生能源的需求与日俱增，太阳能电池技术得到了快速发展和推广。
太阳能电池是一种将太阳光转化为电能的装置，其关键在于光电效应和半导体材料的选择。
目前，太阳能电池技术的新进展和发展趋势主要集中在以下几个方面。
一、光电转化效率的提高目前市场上常见的太阳能电池主要有单晶硅、多晶硅、铜铟镓硒(CIGS)、无机有机杂化钙钛矿等几种。
其中，单晶硅因其高转化效率和稳定性得到了广泛应用，但也存在成本较高的问题。
而CIGS电池由于材料稳定性不佳导致其寿命较短，而钙钛矿电池则由于其复杂的制备过程和材料稳定性仍在研究之中仍未广泛应用。
因此，研究人员一直努力寻找新的太阳能电池材料，以提高光电转化效率和降低成本。
最新的研究表明，通过使用双折射晶体材料可提高光电转化效率，这是一种容易得到的材料，可以从全球范围内获得。
二、柔性太阳能电池的研发与应用随着可穿戴设备和智能手机等市场的逐渐发展，柔性电子和柔性太阳能电池也逐渐成为研究热点。
与传统太阳能电池不同，柔性太阳能电池可以在较小的空间内拥有更大的接触面积，并可以更自适应地适应曲面形状。
同时，柔性太阳能电池的制备和加工流程也更加简单和直观，可以通过印刷、喷涂等方式来大规模生产，具有广阔的应用前景。
在这方面，目前最有前景的材料是有机聚合物、纳米材料和二维材料等。
柔性太阳能电池同样可以与锂离子电池进行集成，产生更加高效、轻量级、柔性的电池，以适应不同的应用场景。
三、太阳能光伏与储能一体化随着能源消费结构的转型和可再生能源的推广，太阳能发电已成为我们未来主要的能源来源之一。
与此同时，随着储能技术的不断成熟，太阳能光伏与储能一体化系统越来越受到瞩目与关注。
太阳能光伏系统的储能模式主要分为两种：一是直接将太阳能转化为电能，存储在电池组中，再供给家庭或商业等场所的用电。
二是将电能通过电力网直接输出，并从电力网中购买所需电量。
随着可再生能源的不断普及，太阳能光伏和储能系统的相关研究也在不断展开，预计未来几年内会有更多的技术采用太阳能光伏系统进行储能。
有机太阳能电池研究现状与进展
有机太阳能电池研究现状与进展
有机太阳能电池是一种可以将太阳能转化为电能的光电转换器件，相比于传统的硅基太阳能电池，有机太阳能电池具有成本低、可塑性好、轻量化等优点，因此备受关注。
以下介绍有机太阳能电池的研究现状与进展：
1. 效率提高：过去十年来，有机太阳能电池的功率转换效率不断提高，目前已经达到了17%左右，接近商业化水平。
2. 新材料的发展：研究者在寻找更优秀的有机材料方面进行了大量尝试，包括聚合物、小分子有机化合物和混合材料等，以提高有机太阳能电池的效率、稳定性和可持续性。
3. 有机太阳能电池的稳定性：为了解决有机太阳能电池的稳定性问题，研究者设计了新型材料和界面，探究了各种稳定剂和先进封装技术。
4. 柔性有机太阳能电池：在光电转换效率较高的情况下，有机太阳能电池适合制作柔性器件，形态可塑性好，可以应用于更广泛的领域。
目前柔性有机太阳能电池的商业化应用仍处于起步阶段，但未来充满潜力。
总的来说，有机太阳能电池的研究不断取得进展，但与传统硅基太阳能电池相比仍面临诸多挑战，例如效率、稳定性和成本等。
未来需要进一步探究新材料和工艺，提高有机太阳能电池的性能和可应用性。
聚合物太阳能电池的制备及性能研究
聚合物太阳能电池的制备及性能研究近年来，随着能源危机的日益严重，新能源研究备受关注。
太阳能作为最为广泛的可再生能源之一，其发展前景广阔。
而聚合物太阳能电池由于其低成本、轻便、柔性等优点，成为了太阳能领域中被广泛研究和应用的热门方向之一。
一、聚合物太阳能电池的制备聚合物太阳能电池是利用聚合物半导体材料与其他功能层耦合，形成一个有机薄膜结构，可以将光能转化成电能的一种设备。
其基本结构包括透明导电ITO玻璃衬底、有机薄膜太阳电池结构、阻障层和电极。
制备过程中的主要步骤包括表面处理、薄膜制备、太阳电池制备和保护层制备。
1.表面处理表面处理是制备聚合物太阳能电池的第一步，其目的是为了清洁ITO基板表面，增加ITO和PVDF之间的黏附力。
表面处理得不到保障，薄膜沉积过程中就会产生裂缝，导致光电转化效率降低。
2.薄膜制备在选择材料上，光吸收层、电子传输层和电子受体层是最重要的三个部分。
在这三个部分中，光吸收层是最关键的部分，可使太阳能光子吸收并转换为电子激发。
3.太阳电池制备太阳电池结构是太阳能电池制造中的重要一步，这个结构主要包括阳极和阴极两个电极，从而让阳极输送电子到阴极，并将光能转化成电能。
其中，电子传输层和电子受体层起到了关键的作用，而阻障层主要负责阻隔氧、水等无益杂质进入，影响太阳电池性能。
4.保护层制备在这一步中，主要制备一层热稳定的材料覆盖在太阳电池上，以保证它在长时间的使用过程中不受到氧化、水解和腐蚀等因素的影响，提高耐久性和稳定性。
二、聚合物太阳能电池的性能研究和传统有机太阳能电池不同，聚合物太阳能电池在材料的选择和制备上有了更多的选择余地，具有更好的光电转化效率和机械柔性等优点。
关于聚合物太阳能电池的性能研究，下面列出几个方面：1. 光伏特性光伏特性（如展开电压、展开电流、填充系数、转换效率等）是聚合物太阳能电池性能的重要指标之一。
研究表明，在同样的太阳光照强度下，不同材料的电流密度不同，而这与材料的能带结构有关。
聚合物材料在光伏电池中的应用研究
聚合物材料在光伏电池中的应用研究随着能源危机和环境问题的日益突出，可再生能源逐渐成为人们关注的焦点。
太阳能光伏电池作为可再生能源的重要组成部分，具有广阔的应用前景。
然而，传统的硅基光伏电池存在成本高、重量大和制造过程复杂等问题。
为了克服这些限制，研究人员开始关注聚合物材料在光伏电池中的应用。
聚合物材料是由多个相同或不同的单体分子通过化学键连接而成的高分子化合物。
与传统的无机材料相比，聚合物材料具有许多优势，如轻量、柔性、可加工性强、低成本等。
这些优势使得聚合物材料成为光伏电池领域的热点研究对象。
在聚合物材料中，共轭聚合物是最常见的材料之一。
共轭聚合物通过共轭结构形成了扩展的π电子共轭体系，使得它们能够有效地吸收光能，并转化为电能。
此外，共轭聚合物还具有调节光电性能的能力，通过改变材料结构和化学修饰，可以调控吸收光谱范围和能带结构。
这种可调控性为光伏电池的效率提升提供了新的途径。
聚合物材料在光伏电池中的应用主要包括有机太阳能电池（organic solar cells，OSC）和染料敏化太阳能电池（dye-sensitized solar cells，DSSCs）。
有机太阳能电池是利用有机半导体材料将光能转化为电能的一种光伏装置。
聚合物半导体材料作为这类太阳能电池的关键元件，负责光吸收、电荷传输和光电转换等功能。
聚合物材料的光电特性以及纳米结构的控制对有机太阳能电池的性能有着重要影响。
近年来，采用不同的共轭聚合物材料和非富勒烯电子受体，有机太阳能电池的转换效率不断刷新纪录，并逐渐接近商业化应用的水平。
然而，提高有机太阳能电池的长期稳定性和制造过程的可扩展性仍然是一个挑战。
染料敏化太阳能电池是利用染料吸收光子产生电荷，然后通过电解质传递电荷，最终转化为电能的光伏装置。
传统的染料敏化太阳能电池使用钛酸盐作为电子受体，但具有昂贵和稳定性差的缺点。
聚合物材料作为新型电子受体，具有低成本、可调控性强的优势，被广泛应用于染料敏化太阳能电池的研究中。
新能源材料论文 南京工业大学
聚合物太阳能电池光伏材料的研究进展班级：复材1002 学号：15 姓名：金奇杰摘要：聚合物太阳能电池中给体材料的能级水平、带隙、光吸收系数、溶解性、成膜性及载流子迁移率是决定器件性能的关键因素。
阐述了聚合物太阳能电池中给体材料的最新研究进展，着重介绍了含有苯并双噻吩的窄带隙D－A类型的共聚物，并对一些给体材料的能级水平优化结果做了简单的总结。
最后指出了未来聚合物太阳能电池给体材料今后的发展方向。
关键词：共轭聚合物；聚合物太阳能电池；窄带隙；苯并双噻吩中图分类号：O633 文献标志码：ARecent Progress of the Photovoltaic Materials in Polymer Solar CellsClass: CM1002 SN:15 Name: Jin QijieAbstract:The performance of devices is depend on the energy levels, bandgap, light absorption coefficient, solubility, film forming ability and carrier mobility of the donor materials in polymer solar cells. The recent progress of the in polymer solar cells is reviewed, and the containing benzo bisthien of D-A copolymers is introduced. The energy le photovoltaic materials vels optimization results of the photovoltaic materials are summarized. Furthermore, the future prospects of the photovoltaic materials in polymer solar cells are pointed out.Key words: conjugated polymer; polymer solar cells; narrow bandgap; benzo bisthien1.引言随着人类对能源需求的增加，能源问题成为当今社会面临的重要问题之一。
聚合物太阳能电池材料的研究进展
(1Hubei Key Laboratory of Low Dimensional Optoelectronic Materials and Devices, Hubei University of Arts and Science, Xiangyang 441053, Hubei Province, P. R. China; 2State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials, Xiʹan Jiao Tong University, Xiʹan 710049, P. R. China; 3Key Laboratory of Green Processing and Functional Textiles of New Textile Materials, Ministry of Education, Wuhan Textile University, Wuhan 430073, P. R. China)
武汉纺织大学新型纺织材料绿色加工及其功能化教育部重点实验室, 武汉 430073)
ˉ w=200, 400, 1000, 2000), 合成具有可生物降 采用柠檬酸(CA)交联聚乙二醇(oligo-PEG, 平均分子量M
解性能的聚柠檬酸-乙二醇(PCE)交联聚酯, 并以此为基体材料制备得到准固态的三维交联型 PCE/LiI/I2 聚合物 电解质. 采用红外吸收光谱(IR)、 核磁共振氢谱(1H-NMR)、 扫描电镜(SEM)和 Raman 光谱分别对 PCE 基体的分 子结构、 聚合物电解质的微观形貌以及导电离子对的存在形式进行表征; 通过线性扫描伏安法(LSV)研究了聚 合物电解质的离子扩散系数、 电导率以及电池的输出电流-电压(I-V)性能. 结果表明, PEG 的分子量影响 PCE 基体膜的微观形貌及其吸液性能, 从而影响聚合物电解质的离子导电性能及电池的光电性能: 随着 PEG 分子 ˉ w从 200, 400, 1000 增大到 2000, PCE 基体膜的结构变得疏松, 吸液率增加, 吸液溶胀后的基体中 I量M 3 的跃迁 活化能降低, 导致电解质的电导率和电池的短路光电流密度随之增加; 在 60 mW · cm-2 的入射光强下, 四种电 解质对应电池的光电转化效率依次为 3.26%、 3.34%、 4.26%和 4.89%.
基于宽带隙聚合物太阳能电池的研究进展
第49卷第9期2021年5月广州化工Guangzhou Chemical IndustryVol. 49 No. 9May. 2021基于宽带隙聚合物太阳能电池的研究进展庄程东郭鹏智2(1兰州交通大学材料科学与工程学院，甘肃 兰州730070；2兰州交通大学国家绿色镀膜技术与装备工程技术研究中心，甘肃 兰州730070)摘 要：有机太阳能电池因为制备过程简单、重量轻、成本低廉和可制成柔性器件等优点受到了广泛的关注。
近年来，随着窄带隙小分子受体材料的快速发展，与之光谱匹配的宽带隙给体聚合物太阳能电池表现出较高的PCE 。
研究人员通过苯并二廛 吩(BDT)、苯并二嗟吩-4,8-二酮(BDD)、蔡并双三醴和苯并三®(BTA)等构建块，设计合成了一系列高效的宽带隙给体聚合物。
在此对宽带隙聚合物非富勒烯太阳能电池的研究进展进行综述。
关键词：给体聚合物；有机太阳能电池；宽带隙；研究进展中图分类号：0631.3文献标志码：A 文章编号： 1001-9677 (2021) 09-0021-07Research Progress on Wide Bandgap Polymers for Polymer Solar Cells **基金项目：国家自然科学基金(No. 51903112)。
第一作者：庄程东，男，硕士，研究方向：有机太阳能电池材料的合成与研究。
通讯作者：郭鹏智，男，博士，研究方向：有机太阳能电池材料的设计、合成与器件研究。
ZHUANG Cheng-dong 1, GUO Peng-zhi'(1 School of Materials Scienceand Engineering , Lanzhou Jiaotong University , Gansu Lanzhou 730070 ；2 National Green Coating Technology and Equipment Research Center , Lanzhou Jiaotong University ,Gansu Lanzhou 730070, China)Abstract : Organic solar cells have attracted much attention because of their excellent advantages of easy fabrication ,light-weight , low-cost and flexibility. In recent years , with the rapid development of narrow-band gap small molecularacceptor materials , the wide band gap donor polymer solar cells with spectrum matching show higher PCE. A series ofhigh efficient wide band gap donor polymers were designed and synthesized by using benzodithiophene ( BDT ), benzodithiophene -4,8 - dione ( BDD) , naphthalene bistriazole ( TZNT ) and benztriazole ( BTA ) as building blocks. Theresearch progress onnon fullerene organic solar cells with wide gap donor polymers was reviewed.Key words ： donorpolymers ； organic solar cell ； wide band gap ； progress有机太阳能电池因为其成本低、重量轻、柔性、可大面积印刷制备等优点成为研究热点。
聚合物太阳能电池光敏层材料及形貌的研究进展
摘要
聚合物太 阳能 电池 由于质量轻、 成本低 、 柔韧性好及制备工 艺简便等优点而具有 巨大的潜在 应用价值 ，
是 太 阳能 电池 发 展 的 新 方 向 。但 是 聚合 物 太 阳 能 电池 的能 量 转 换 效 率 较 低 ， 不到 商 业 化 应 用 的 要 求 ， 何 提 高 电 达 如 池效 率 仍 是 目前 研 究 的 重 点 。 聚合 物 材 料 和 光 敏 层 的形 貌 是 影 响 太 阳能 电池 性 能 的 两 大要 素 ， 机 理 方 面 分 析 了限 从
Ａ ｓｒｃ ｂｔ ｔ ａ
Ｐ ｌ ｒｂ ｌ ｅｅｏｕ ｃｉｎｓｌ ｅ ｓｈｖ ｒａ ｐ ｔｎｉ ｒｐａｔａ ａ ｐｉ ｔ ｎ ｗ ｎ ｏｔｅ ｏｙ ｕ ｈ ｔｒｊｎｔ ｏａ ｃｌ ａ ｅｇｅｔ ｏｅｔ ｌｏ ｒｃ ｃｌ ｐ ｌａｉ ｓｏ ｉｇｔ ｈ ｉ ｍｅ ｋ ｏ ｒ ｌ ａｆ ｉ ｃ ｏ ｒ
聚合 物 太阳能 电池光敏 层材料 及形 貌 的研 究进展 ／ 朱小 波等
・４ ・ ５
聚 合 物 太 阳 能 电池 光 敏 层 材 料 及 形 貌 的 研 究 进 展
朱小波 李冬梅 王 颖。 娜 王毅 霏 ， ， ， ，田 ， 马晓燕
（ 北 工 业 大学 理学 院应 用化 学 系 ， 安 ７ ０ ２ ） 西 西 １ １９
Ｚ Ｕ ａ ｂ ＩＤｏ ｇ ｅ ，Ｗ ＡＮＧ ｎ 。 Ｈ Ｘｉｏ ｏ ，Ｌ ｎ ｍ ｉ Ｙｉｇ ，ＴＩ ＡＮ Ｎａ ，Ｗ ＡＮＧ ｆｉ，Ｍ Ａ ａ ｙ ｎ Ｙｉ ｅ Ｘｉｏ ａ
（ ｐ ｒｍｅ ｔｏ ｐ ｉｄ Ｃｈ ｍ ｉｔｙ，Ｓ ｈ ｏ ｆＳ ｉｎ ｅ Ｄｅ ａ ｔ ｎ ｆＡｐ ｌ ｅ ｓ ｒ ｅ ｃ ｏ ｌ ｃｅ ｃ ，Ｎｏ ｔ ｗｅ ｔ ｒ ｏ ｙ ｅ ｈ ｉａ ｉｅ ｓｔ ，Ｘｉ ａ １ １ ９ ｏ ｒｈ ｓ ｅ ｎ Ｐ ｌ ｔ ｃ ｎ ｃ ｌ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｙ ’ｎ ７ ０ ２ ）
聚合物太阳能电池材料的研究进展_张超智
平面异质结概念也有一定的局限性 ： 给受体界 面 的 接 触 面 积 比 较 小 ， 并且要求载流子寿命较长以确 形成 连续 保电子和空穴能够达到各自的电极 。 研究人员将给受体共混体系作为有机光伏器件的活性层 ，
， 之比 ， 最终表示为四种效率的乘积形式 ： 其中 Ａ 表示光子吸 Ｅ Ｑ Ｅ（ ＝ × × × λ） λ） λ） λ） λ） Ａ（ Ｅ Ｄ（ Ｃ Ｓ（ Ｃ Ｃ（ η η η η 收， 与受体 Ｅ Ｄ 表示 激 子 扩 散 ， Ｃ Ｓ 表 示 电 荷 分 离， Ｃ Ｃ 表 示 电 荷 收 集。 光 电 压 或 者 称 开 路 电 压 （ Ｖｏ ｃ） 该能级差是电荷分离的主要驱动力 。 图 ２ 中对比了太 Ｌ ＵＭＯ 能级和给体的 ＨＯＭＯ 能级之差密切相关 ， 。短路电流（ 带隙为１ 则是电池响应度与 阳光谱和典型聚合物太阳能电池的外量子效率 光 谱 （ ． ９ ｅ Ｖ） Ｉ ｓ ｃ） 入射太阳光辐 射 照 度 乘 积 的 积 分 。 因 此 ， 吸收更宽的太阳光谱与扩大给体的 Ｌ ＵＭＯ 能 级 与 受 体 的 高效能的聚合物太阳能电池 ＨＯＭＯ 能级之差分别可提高器件的短路电流和 开 路 电 压 。 材 料 不 断 革 新 ， 也不断涌现 。 形貌是体异质结太阳能电池另一重要参数 。 图 ３ 展示出体异质结的优势形貌 ， 即互穿网络
太阳能电池的新领域 。 经过一系列优化后 ， 基于聚对苯乙炔聚合物太阳能电池的光电转换效率被提 高到
［８， １ ９］ 。 然而 ， 由于相对较低的空穴 迁 移 率 和 较 窄 的 光 吸 收 范 围 ， 使得该聚合物太阳能电池的 ３ ． ０％ 以上 １ ［ ２ ０］ （ 进一步改善空间比较有限 。２ 可溶性聚噻吩特别是聚 （ 成为聚合物太阳 １ 世纪初 ， ３ Ｐ ３ ＨＴ） － 己基噻吩 ）
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广州化工
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聚合物太阳能电池材料的研究进展
曾望东, 丁 娉, 潘春跃
长沙 410083 ) ( 中南大学化学化工学院 , 湖南
摘 要 : 近年来聚合物太阳能电池的研究发展迅速。本文介绍了 聚合物太阳 能电池的 原理和有 机光伏 材料的性 能要求, 并针 对聚噻吩 ( PT ) 衍生物、 聚对苯撑乙烯 ( PPV ) 衍生物等有机光伏材料在聚合物太阳能电池 中的应用进行 综述 , 简单探讨了 该领域进一 步研究的方向和前景 。 关键词 : 聚合物太阳能电池; 有机光伏材料; 聚噻吩; 聚对苯撑乙烯
3 有机光伏材料在聚合物太阳能电池中的应 用
有机光伏材料作为 聚合 物太 阳能电 池的 光敏 活性 层 , 其分 子结构必须具备共轭体系并能通过部分离域的 和 * 轨道完 成光吸收和电荷传输过程。有机光伏 材料按照 机械性 能和加工 性能可分为不溶性的、 可溶性的以及液晶 材料等 , 一般 包括小分 子或低聚体、 高 聚物和 液晶 分子。能 够吸 收可见 光的 低聚 体或 单体称作发色团 , 其 中具有溶解性的称作 染料 , 而不具 溶解性的 则称为颜料。通常聚合物太阳能电池 的制作工 艺取决 于光敏活 性层材料的溶解性。对于不溶的颜料 分子采用 高真空 气相沉积 法成膜 ; 晶体颜料分 子可以使用物理蒸发 生长成膜 ; 染 料和可溶 性聚合物可通过溶 液旋 转涂膜、 刮 涂成 膜、 丝 网印 刷、 层压 旋转 涂膜或电化学等方法成膜。目前用于 有机光伏 材料研 究的聚合 物主要包括聚噻吩 ( PT ) 衍生物、 聚对苯撑乙烯 ( PPV ) 衍 生物、 聚 对苯 ( PPP ) 衍生物、 聚苯 胺 ( PAN I) 以及其 它高 分子材 料。本文 着重介绍 PT 衍 生物、PPV 衍 生 物在 聚合 物太 阳能 电 池中 的应 用。
为了更好的利用 太阳 光 , 共轭 有机光 伏材 料的 吸收 光谱 需 要与 太阳辐 射能谱 尽可能的 匹配 , 在可 见 - 近 红外区 应该有 尽 可能宽的吸收峰 ; 聚合物膜的吸收系数应该尽可能的高。 一些常见的有机 光伏材料 ( PT 的 衍生物、 PPV 的衍 生物 ) 的 吸收光谱的峰值均 在 500~ 550 nm 之 间 , 而太 阳辐 射最 大值 在 700~ 800 nm 之间 , 因此 , 使吸收 光谱 红移 是改善 吸收 的主要 方 向之一。实现吸收 光谱 红移的 方法 有很多 , 如 在聚 合物 共轭 链 支链上添加助色团 ( 烷氧 基 , 烷硫基 , 氨基 等 ) 可以 使光 谱红移 , 而且添加助色团之后 其吸收系数也可以 得到提高。 增大有 效共 轭长度也是使吸收光 谱红移的一个有效手段。 除了吸收峰需要 与太 阳光 谱相匹 配之 外 , 其吸 收峰 的宽 度 应该尽可能的宽 , 这样才能吸收更 多的太阳 光。除此两 点之外 , 由于光敏活性层 对光 的吸收 率与 其厚度 成正 比 , 并且由 于共 轭 聚合物的 迁 移 率比 较 低 ( 通常 比 无 机 半导 体 低 5 ~ 8 个 数 量 级 ) , 所以比较薄的光敏活性层厚度有 利于克服 其迁移率低 的缺 点 , 这样就要求作为光敏活性层的材 料具有比较 高的吸 收系数。 在目前的光伏材料设 计中 , 最先得到 重视的是吸 收峰的 位置 , 其 次是吸收峰的宽度 , 而吸收系数的问题却没有引起足够的重视。
分。给、 受体之间的 能级 匹配、 给体 与阳 极之 间的 能级 匹配、 以 及受体与阴极之间的能级匹配是异 质结型聚合 物太阳 能电池电 荷分离、 传输以及收 集的重要影响因素。 共轭聚合物的 分子 能 级考 虑最 多 的是 HOM O 和 LUM O 能 级。通常用循环伏安 测定 聚合物 的起 始氧化 和起 始还 原 电势 , 从起始氧化电势和起始还原电势可计算得到 HOMO 和 LUM O 能 级值 [ 5] 。一般来说 , 与 共轭 链相连 的推 电子取 代基 会提高 材料 的给电子能力 , 即提高材料的 HOM O 能级 ; 而拉电子取代基会增 加材料的得电子 能力 , 即降 低材 料的 LUMO 能级。 但是推 电子 取代基提高 HOM O 能级 的同时 , 往往伴随着 LUM O 能级的提高 ; 而拉电子取代 基降低 LUM O 的同时 , 往往伴 随着 HOMO 能级的 降低。除此之外 , 取 代基的位 置也对 HOM O 和 LUM O 有 不同的 作用 , 当推、 拉电子取 代基 同时存 在于 共轭聚 合物 中时 , 它 们对 聚合物的能级影响是综合的。
太阳能是取之不 尽、 用之不竭的清 洁能源 , 在化 石能源 日益 枯竭、 环境污染日渐严重的今天 , 开展将太 阳能转换 成电能 的太 阳能电池的研究显得 尤为重要。目前利用 太阳能最 有希望 的工 具是基于半导体的光 生伏打效应直接将太 阳能转化 为电能 的太 阳能电池。利用光伏效应的太 阳能电池作 为重要的 清洁能 源一 直是国内外研究 的热 点 , 提 高效 率和 降低成 本是 目前研 究的 重 点。在过去的几十年中 , 传统的无机半 导体材料 电池发 展迅速 , 如 S、 i Ge 、 G aA s 、 G aP、 G aN 和 SiC 等作为半导体的电池 , 光电转换 效率 从 上 世 纪 50 年 代 贝 尔 实 验 室 [ 1] 的 6 % 发展 到如今 的 37. 19 % , 占领了 90% 左右的太阳能电池市场。 但由于这类 无机 半导体材料制作太阳 能电池存在生产工 艺复杂、 成本高、 制 作过 程耗能高等不足 , 要制备大面积的无 机太阳能电 池 , 或者大 规模 的使用 , 将受到相 当大程 度的 限制。作 为聚合 物太 阳能 电池 核 心的有机光伏材 料具 有制 备工艺 简单、 低成 本、 质量 轻、 可弯 曲 和面积大等优 点 , 进而受 到各 界的广 泛关 注。尽管 目前 聚合 物 太阳能电池光电转 换效率 低 , 文 献报道 中最高 大约为 6 . 5% [ 2] , 还不能与无机半 导体 太阳能 电池 相抗衡 , 但 它可 作为用 于高 日 照、 尚不具备开发价值地 区 ( 如 沙漠 ) 等的 低值光 电转 换设备 而 投入实际应用 [ 3] 。为 此 , 各国研 究人 员都在 不断 进行 聚合物 太 阳能电池的研究 , 期 望能得 到新 的多 功能和 高效 率的光 电转 换 电池。 2002 年 , G oe tzbe rger等 [ 4] 推测 , 有机 光伏材料 的光电 转换 效率在未来十几年中有望突破 10 % , 如能达到这一 转换效率 , 用 有机光伏材料制作的 聚合物太阳能电池将具有巨大的市场。 光伏器件是一类给体 /受体异质结型器件 , 是由 光敏活 性层夹在 ITO 透明阳极和金属阴极之间所组成。最有代表性的是给体 /受 体双层器件和给 体 /受 体共混 的本 体异 质结 型器 件。当具 有适 当能量的光子透过 I TO 电极 照射到 光敏 活性层 上时 , 光 敏活性 层上的给体或受体材料吸收光子 产生激子 , 激子 扩散到 给体 /受 体界面并在那里发 生电 荷分离 , 在 给体上 产生 空穴 和在受 体上 产生电子 ; 然后空穴 沿给体传递到阳极并 被阳极所 收集 , 电子沿 受体传递到阴 极 并被 阴极 所 收集 , 从 而 产生 光 电流 和 光电 压。 显然 , 给体和受体材料的吸光 性能 ( 吸光波长和吸 收系数 ) 、 电荷 传输性能 ( 给体的空 穴迁移 率和受体 的电 子迁移 率 ) 、 以 及其最 高占有轨道 ( HOMO ) 和最低空轨道 ( LUM O ) 能级的位置 ( 决定激 子在给体 /受体界面 上的电荷分离性能 ) 对有机光伏 器件的性能 至关重要。就电 子能 级而 言 , 给体 材料 应该 具有 较高 的 LUMO 和 HOM O 能 级 , 受体 材 料应 该具 有 较低 的 LUMO 和 HOMO 能 级 , 这样才能保 证在 给体 /受 体界 面上、 给体 中激 子在 LUM O 能 级上的电子可以自 发地传 递到 受体的 LUM O 能 级上 , 受 体中激 子在 HOM O 能级上 的空穴 可以 自发 地传 递到 给体 的 HOM O 能 级上 , 从而实现电荷 的分离。 有机材料的激子分 离与 迁移 并非全 部有 效 , 为了 有效 地将 光能转化成电能 , 必 须满足以 下条件 : ( 1 ) 在 聚合物 太阳 能电池 的激活区域光吸 收必须 尽可 能的大 ; ( 2) 光 子被吸 收后 产生的 自由载流子必须足够的多 ; ( 3) 产生的载流子能低损 耗地到达外 部电路 , 这样才 能得到 较大 的光 电转换 效率。然 而事 实上 并非 如此 , 在光电转换过 程中存在着大量损耗 , 使得 聚合物 太阳能电 池实际光电转换效率低下。
1 聚合物太阳能电池的原理
作为聚合物太阳 能电 池的 最重要 的组 成部 分 , 有机 光伏 器 件的能量转换效率直 接决定了聚合物太 阳能电池 的性能。 有机
作者通讯 : 潘春跃。 E - m ai:l pan _chunyue @ 163 . com
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广州化工
2010 年 38 卷第 7 期
图 1 本体异质结聚合物太阳能电池结构 (放大图为活性层双连续相的形貌 ) Figure 1 Th e structu re of bu lk heterojunction- typ ed polym er so lar cells
2 . 4 其他
作为聚合物太阳能 电池 的光 敏活性 层材 料 , 设计 有机 光伏 材料时还要考 虑 到材 料的 稳 定性、 溶 解 性、 与受 体 材料 的 相容 性、 材料提纯是否存 在困难、 以及和活 泼金属电 极材料 之间是否 存在反应等问题。综 上所述 , 要 设计 出一 个适合 聚合 物太 阳能 电池应用的有机光伏材料必须综合考虑以上问题。
Research ห้องสมุดไป่ตู้ rogress of Polym er Solar C ellsM aterials
ZENG Wang - dong, DING P ing, PAN Chun - yue ( College o f Chem istry and Che m ical Eng in eering, Cen tra l South Un iv ersity, H unan Changsha 410083 , Ch in a) Abstract : T he research prog ress o f po lym er so lar cells go t very rapid in recent years . The m echanism of polym er so lar ce lls and properties of organic pho tovolta ic m ateria lsw ere introduced . M any k inds of organic pho tovo lta ic m ateria ls for po lym er so lar cells w ere applied , such as po lyth io phe derivatives, poly ( para- phenylene v iny lene) deriv at iv es , etc . . By th e w ay , recent prog ress in po lym er so lar ce llsw as prospected . K ey w ord s : po lym er so la r cells ; organ ic pho tovolta ic m ateria ls ; polyth io phene ; poly( para- pheny lene v iny lene)