有机太阳能电池
有机太阳能电池课件
透明导电氧化物
如氧化铟锡（ITO），具有 高透光率、低电阻率，常 用作电池的阳极。
金属电极
如铝、银等，具有良好的 导电性和稳定性，常用作 电池的阴极。
碳电极
如石墨烯、碳纤维等，具 有高导电性、低成本和环 境友好性，是电极材料的 新兴选择。
电池结构
• 单异质结结构：由单一活性层夹在两个不同电极之间构成，简单且易于制备。 • 双异质结结构：由两种不同活性层材料组成，能够拓宽光谱吸收范围，提高光电转换效率。 • 叠层结构：将多个单电池按一定方式叠加起来，能够充分利用太阳光，并提高开路电压和填充因子。 • 这些材料与结构是有机太阳能电池的核心组成部分，深刻影响着电池的性能和效率。通过不断优化材料选择与结构设计，
VS
寿命
太阳能电池的寿命是指其在正常使用条件 下性能衰减到一定程度所需的时间。提高 有机太阳能电池的寿命需要优化材料和器 件结构，降低载流子复合、界面缺陷等不 利因素。同时，合适的封装技术和存储条 件也可以延长有机太阳能电池的寿命。
05
有机太阳能电池的未来发展与挑 战
提高光电转换效率的途径
活性层材料设计与优化
影响因素
光电转换效率受到多种因素影响，包括吸收光谱匹配、载流子迁移率、激子解离效率、电荷收集效率 等。提高这些方面的性能可以有效提升有机太阳能电池的光电转换效率。
稳定性与寿命
稳定性
有机太阳能电池在长期使用过程中应保 持良好的性能稳定性。这要求材料具有 良好的光、热、氧稳定性，以及器件结 构的有效封装。
涂膜工艺
旋涂法
将配制好的溶液通过旋涂法涂布在基 底上，形成一层均匀、平整的薄膜。 旋涂速度、溶液浓度和基底温度等因 素都会影响膜厚和膜形貌。
刮刀法
有机太阳能电池
有机太阳能电池摘要有机太阳能电池因具有成本低、质轻、柔韧性好、可大面积印刷制备的优点而受到广泛关注，对电池原理，结构，材料的研究对提高有机太阳能电池的性能有重大意义。
本文主要综述了有机太阳能电池的工作原理，电池结构以及电极材料。
并对有机太阳能电池的应用前景做了展望。
关键词原理；结构；材料；应用前景1.有机太阳能电池简介有机太阳能电池，顾名思义，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。
主要是以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，以光伏效应而产生电压形成电流, 实现太阳能发电的效果.由于无机硅太阳能电池的材料生产成本高，污染大、能耗高，寻找新型太阳能电池材料和低成本制造技术便成为人们研究太阳能电池技术的目标。
有机太阳能材料和电池制备技术有望成为低成本制造的选择之一。
世界上第一个有机光电转化器件是由Kearns和Calvin在1958年制备的，其主要材料为镁酞菁（MgPc）染料，染料层夹在两个功函数不同的电极之间。
1986年，行业内出现了一个里程碑式的突破——有机半导体的发明。
器件的核心结构是由四羧基苝的一种衍生物（PV）和铜酞菁（CuPc）组成的双层膜。
双层膜的本质是一个异质结，其思路是用两种有机半导体材料来模仿无机异质结太阳能电池。
1992年，土耳其人Sariciftci在美国发现，激发态的电子能极快地从有机半导体分子注入到C60分子中，而反向的过程却要慢得多。
1993年，Sariciftci在此发现的基础上制成PPV/C60双层膜异质结太阳能电池。
随后，研究人员在此类太阳能电池的基础上又提出了一个重要的概念：混合异质结（体异质结）。
而所谓“混合异质结”，就是将给体材料和受体材料混合起来，通过共蒸或者旋涂的方法制成一种混合薄膜。
给体和受体在混合膜里形成一个个单一组成的区域，在任何位置产生的激子，都可以通过很短的路径到达给体与受体的界面（即结面），从而电荷分离的效率得到了提高。
2.有机太阳能电池工作原理激子概念在有机半导体材料中，分子之间只有很弱的范德华作用力，不能形成连续的能带，电子被光激发后只能停留在原分子轨道内，不能转移到其他分子上。
有机-聚合物太阳能电池概述
有机/聚合物太阳能电池１．有机/聚合物太阳能电池的基本原理有机/聚合物太阳电池的基本原理是利用光入射到半导体的异质结或金属半导体界面附近产生的光生伏打效应(Ｐhotovoltaiｃ)。
光生伏打效应是光激发产生的电子空穴对一激子被各种因素引起的静电势能分离产生电动势的现象。
当光子入射到光敏材料时，光敏材料被激发产生电子和空穴对，在太阳能电池内建电场的作用下分离和传输，然后被各自的电极收集。
在电荷传输的过程中，电子向阴极移动,空穴向阳极移动，如果将器件的外部用导线连接起来，这样在器件的内部和外部就形成了电流。
对于使用不同材料制备的太阳能电池，其电流产生过程是不同的。
对于无机太阳能电池,光电流产生过程研究成熟,而有机半导体体系的光电流产生过程有很多值得商榷的地方，也是目前研究的热点内容之一,在光电流的产生原理方面,很多是借鉴了无机太阳能电池的理论(比如说其能带理论),但是也有很多其独特的方面，现介绍如下:一般认为有机/聚合物太阳电池的光电转换过程包括:光的吸收与激子的形成、激子的扩散和电荷分离、电荷的传输和收集。
对应的过程和损失机制如图1所示。
图1 聚合物太阳能电池光电转换过程和入射光子损失机理光吸收与激子的形成当太阳光透过透明电极ITＯ照射到聚合物层上时，不是所有的光子都能被聚合物材料所吸收的，只有光子能量hν大于材料的禁带宽度E g时，光子才能被材料吸收,激发电子从聚合物的最高占有轨道(HＯMO)跃迁到最低空轨道(ＬUMO)，留在ＨOＭO中的空位通常称为“空穴”,这样就形成了激子，通常激子由于库仑力的作用，具有较大的束缚能而绑定在一起。
对于入射到地面的太阳光谱从其能量分布来看,大约在700nm处能量是最强的，因而所使用的激活层材料其吸收光谱也应该尽量的接近太阳的辐照光谱,并且在７00nm处达到最强的吸收，这样有力于激活层材料对光的吸收和利用。
但是从目前研究的聚合物材料来看，其吸收光谱均不能与太阳光谱很好的匹配。
有机光伏电池工作原理
有机光伏电池工作原理
有机光伏电池（organic photovoltaic cell，OPV）是一种基于聚合物和有机分子的太阳能电池。
其工作原理基于有机分子和聚合物的半导体特性。
当光照射到有机光伏电池上时，光子会激发有机材料中的电子。
这些电子随即在有机材料中形成激子（exciton），即电子和空穴的带电复合态。
随后，激子会向电场方向分裂成带电粒子，即电子和空穴。
在 OPV 结构中，电子和空穴会被分别吸附在
电极上，形成一个正负载流，从而产生电流。
这个负载流在外部电路中流动，产生电功率。
常见的有机材料包括聚合物、小分子有机材料和碳基无机材料。
这些材料具有轻质、柔性、可塑性、低成本等优点，因此有机光伏电池成为一种具有潜力的新型太阳能电池。
有机叠层太阳能电池
有机叠层太阳能电池有机叠层太阳能电池：1.什么是有机叠层太阳能电池有机叠层太阳电池（Organic Photovoltaic，OPV）是一种非常新颖的太阳能电池技术，它使用材料厚度仅为数百纳米的有机半导体和金属层来捕获能量并将其转换为电能。
这是一种“印刷电池”技术，也可以通过在很薄的材料上层叠来制造电池，从而大大降低了成本，而且可以比传统太阳能电池输出更高的电能性能。
2.有机叠层太阳能电池优势（1）体积小：有机叠层太阳能电池太阳能电池只有几微米厚，可以制成超薄型的太阳能组件，而传统太阳能电池的厚度需要很多毫米，这种技术能够大大减少太阳能电池的体积，重量轻，可以是其他组件的集成，应用的能力更广泛。
（2）成本低：由于有机叠层太阳能电池本身十分薄，用起来特别方便，而且成本低，在原材料成本上只占2%以内，大大降低了整个电池成本，可更好地适应产业化生产。
（3）有效率：有机叠层太阳能电池的有效率比传统太阳能电池要高，其最高有效率可以达到13.1%至14.0%之间，让太阳能发电更加经济高效。
3.有机叠层太阳能电池应用领域（1）智能手机：有机叠层太阳能电池的超薄体积可以帮助智能手机实现有效电能充放，其安装也可以集中于手机表面，不影响其原有美观性。
（2）平板电脑：有机叠层太阳能电池可以用于平板电脑，用于实现太阳能给平板电脑带来的可再生的能源。
（3）车载：有机叠层太阳能电池的薄厚度可以实现车载太阳能动力，可用于调节汽车电路、消耗燃料、改善汽车性能以及改善汽车外观。
（4）畜牧业：畜牧业可以利用有机叠层太阳能电池技术，用于兽类照料、温度诊断系统以及消防监管系统，大大降低农牧业的成本。
4.结论有机叠层太阳能电池是一种新型的太阳能电池技术，其超薄体积、成本低和有效率高的优势使其具有更广泛的应用前景，特别是用于智能手机、平板电脑、车载和畜牧业场景，都可以带来革新性的能源可再生应用。
有机太阳能电池
空穴传输层
电子传输层
选择合适的电子传输材料，如金属氧化物或 聚合物。
选择合适的空穴传输材料，如聚合物或有机 盐。
02
01
电极
选择导电性能良好的电极材料，如ITO或金 属。
04
03
活性层制备
溶液浇铸法
01
将活性物质溶解在适当的溶剂中，然后将其涂布在电极上，通
过蒸发溶剂形成薄膜。
真空蒸镀法
02
在真空条件下，将活性物质加热蒸发并沉积在电极上形成薄膜。
D
05 有机太阳能电池的应用前景
光伏发电
分布式能源
有机太阳能电池可应用于分布式光伏发电系统，为家庭、企业等提供可再生能 源，降低对化石燃料的依赖。
建筑集成
有机太阳能电池可以集成到建筑设计中，作为建筑材料的一部分，实现光伏发 电与建筑的一体化。
移动能源
电动汽车充电
有机太阳能电池可为电动汽车提供补充能源，实现边行驶边充电，延长电动汽车 的续航里程。
有机太阳能电池
目录
• 有机太阳能电池简介 • 有机太阳能电池的材料 • 有机太阳能电池的制造工艺 • 有机太阳能电池的优势与挑战 • 有机太阳能电池的应用前景
01 有机太阳能电池简介
定义与特点
定义
有机太阳能电池是一种利用有机材料 作为光电转换元件的太阳能电池。
特点
具有轻便、柔韧、可折叠、低成本等 优点，同时也有较高的光电转换效率 和稳定性。
喷墨打印法
03
使用喷墨打印技术将活性物质溶液按需打印在电极上，形成薄
膜。
器件组装
将制备好的活性层与其他传输层和电极进行有序叠加，形成完整的有机太阳能电池器件。
注意确保各层之间的紧密接触和有序叠加，以提高器件的整体性能。
高等有机化学-有机太阳能电池简介
优
结
势
构
工 作 原 理
材
展
料
望
优势
制作成本高 工艺复杂光电转化率高 技术成熟
Inorganic solar cells
利用可再生能源 绿色环保 Organic solar cells 制作工艺简单 质量轻 柔韧性好 价廉 重量轻 不含铅汞 污染小 Li-based cells 使用寿命长 利用不可再生能源
好的电子 传输能力
与共扼聚合物之间存在超快的电荷转移
制备性能优越的光伏电池器件
展望
OSCs 存在的问题：能量转化效率较低。
。
OSCs已公布的最高PCE达到11%，这与硅基太阳 能电池的能量转化效率（约为15%）仍有一定差距。
OSCs的能量转化率每年都在增长，相信在不久的将 来，这种节能环保、制作简单、使用轻便的电池将覆 盖整个市场。
构造
阴极
活性层
阳极
修饰层
玻璃基质
结构
电子给体+电子受体
（doner） （accepter）
Active layer 交界面 富电子 缺电子 电子 电子 给体 受体 (D) (A)
工作原理
活性层材料
活性层主要包括导电子型（n型）和导空穴型（p 型）。前者作为电子受体材料，富勒烯衍生物（PCBM）
Donor
accepter
常见的给体材料（Donor）
对给体材料的要求（Donor）
平面性
共轭
获得较小的光学带隙 制备性能优越的光伏电池器件
常见的受体材料（Accepter）
PCBM
ICBA
对受体材料的要求（Accepter）
高的电子迁移率
低的LUMO 能级
新型太阳能电池的研究进展与应用前景
新型太阳能电池的研究进展与应用前景太阳能是一种绿色、可再生的能源，拥有巨大的潜力在人类经济活动中发挥重要作用。
近年来，随着科学技术的发展，太阳能电池的研究也有了很大的进展。
新型太阳能电池不仅能够提高太阳能电池的转化效率，还能够降低制造成本和改善使用环境。
本文将介绍新型太阳能电池的研究进展和应用前景。
一、有机太阳能电池有机太阳能电池(Organic Solar Cells, OSC)是一种有机半导体材料构成的太阳能电池。
相对于传统太阳能电池，有机太阳能电池具有更好的柔性和透明性，可以安装在移动设备上或是玻璃幕墙上进行光电转换。
另外，有机太阳能电池的制造成本低，生产效率高，对环境的影响也较小。
因此，在未来应用中有着广阔的发展空间。
南京大学研究团队利用有机太阳能电池的透明性特点，开发出一种透明有机太阳能电池。
该电池由玻璃和ITO(Indium Tin Oxide, 一种透明导电材料)构成，具有平均光电转换效率达到8.3%、高透过率(85%)、可弯曲的柔性、更长寿命等优点。
二、钙钛矿太阳能电池钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells, PSC)是一种以钙钛矿晶体为载体的太阳能电池。
其中，钙钛矿晶体具有良好的吸光性、电子传输性能等良好性质，可以用来制造太阳能电池。
钙钛矿太阳能电池具有高光电转换效率的特点。
据统计，当前最高光电转换效率达到了25.2%之高。
加州理工学院的研究团队提出了一种新型钙钛矿太阳能电池的设计方案，该电池可应用于智能门锁、生物传感器等领域。
新设计通过使用针对特定波长的光敏材料，将电池划分为三个独立的区域，同时，可以有效防止电池中反射或透过的光被浪费，最终实现最佳效率。
三、多级组分太阳能电池多级组分太阳能电池是指结合不同材质、不同半导体的太阳能电池。
在这种太阳能电池中，每一分层材料都能吸收一定波长的光，从而扩大了太阳能电池的光谱带宽，充分利用太阳光谱所含的能量，提高电池的光电转换效率。
有机太阳能电池简介及产业化前景
在太 阳光照条件 下 ， 有机半导 体吸
收具有一定 能量 的光 子后就 会激发一 个 电子从最高 占 据分 子轨道 （ Ｍ Ｏ ＨＯ ） 跃迁到最低未 占 分子轨道 （ＵＭＯ） Ｌ ， 而
在Ｈ０Ｍ Ｏ 留出空位 ， 一空位 被称 处 这
括 有机 小 分 子 和 聚合 物 这 ２ 种材 料 。 聚合 物材 料 因其成 膜 工艺 简便 ， 因而 更受 研究 者 的青 睐。 般 实验 室里 是 一
电荷 转移
Ｌ ｕ
。
ｊ： ＝
Ｌ ＵＭｏ
。 。 。 ． ， ，
中
ＨｏＭｏ Ｖ
给 体
Ｈｏ Ｍｏ
给体
受体
（） 照下在 有机 半导 体材 料 中生成 激子 １光
无机 材料 制成 的器 件 实现光 电转 换 。 其 中 ， 太 阳能 电池 是 ２ 世纪 ９年 有机 Ｏ ０
代 发展起 来 的新 型太 阳能 电池 ， 是 它
以有机半 导体作为 实现光 电转换 的活 性材料 。 与无机 太 阳能 电池相 比， 它具 有成 本 低 、 厚度 薄 、 量轻 、 质 制造工 艺
２ 有机太 阳能电池的制备工艺 ．
有机太 阳能 电池 中通常所用 的铟
锡 氧化物 （ ） Ｉ ＴＯ 阳极 是通 过溅射 的方 法制备的 ， 但由于地球上 的铟储量相对 较少 ， 不利于 日 后有机太 阳能 电池的大 规模使用 ， 研究者希望使用别的替 代物
为 空穴 ， 空穴带有正 电荷 。 受人射光 子 激 发而形成 的 电子和 空穴会 以具 有较 强 束缚 能 的 电子一 穴对 （ 空 即激 子 ） 的
源 。 阳能取 之不 尽 、 太 用之 不竭 ， 是一
有机太阳能电池的分类
有机太阳能电池的分类有机太阳能电池是一种利用有机材料将太阳能转化为电能的装置。
根据其不同的结构和材料特性，有机太阳能电池可以分为有机聚合物太阳能电池、有机小分子太阳能电池和有机无机杂化太阳能电池三类。
有机聚合物太阳能电池是其中最常见的一种类型。
它由有机聚合物材料构成，具有较高的光吸收性能和良好的柔韧性。
有机聚合物太阳能电池的工作原理是，太阳光照射到光敏材料上时，光子的能量被转化为电子能量，从而产生电流。
这种电池具有制备简单、成本低廉的优点，可以在柔性电子器件、电子纸等领域得到广泛应用。
有机小分子太阳能电池是另一种常见的有机太阳能电池。
与有机聚合物太阳能电池不同，有机小分子太阳能电池采用小分子有机材料作为光敏层，其结构更加精细和复杂。
这种电池的工作原理是，光子的能量激发光敏材料中的电子，使其跃迁到导电层，从而形成电流。
有机小分子太阳能电池具有高效率和较长的寿命等优点，但其制备过程较为复杂，成本较高。
有机无机杂化太阳能电池是近年来发展起来的一种新型太阳能电池。
它采用有机物和无机物相结合的材料作为光敏层，兼具有机太阳能电池和无机太阳能电池的优点。
有机无机杂化太阳能电池的工作原理是，光敏材料中的有机分子吸收光子能量，将其转化为电子能量，然后通过无机材料的传导带将电子输送出来。
这种电池具有高效率、稳定性好的特点，是目前研究的热点之一。
除了以上三类主要的有机太阳能电池，还有一些其他类型的有机太阳能电池也在研究中。
例如，染料敏化太阳能电池利用染料分子吸收光子能量，将其转化为电子能量；有机薄膜太阳能电池利用有机材料的薄膜结构提高光电转化效率等。
这些有机太阳能电池在不同的应用领域具有各自的优势和局限性。
有机太阳能电池是一种重要的可再生能源装置，可以将太阳能转化为电能。
根据其结构和材料特性的不同，有机太阳能电池可以分为有机聚合物太阳能电池、有机小分子太阳能电池和有机无机杂化太阳能电池等多种类型。
这些电池在不同的应用领域具有各自的优势和适用性，为可持续能源的发展做出了重要贡献。
有机太阳能电池综述
2000年，5.R.Forrest研究小组通过在有机小分子制备的双层 结构太阳能电池器件的有机层和金属阴极之间插入 BCP(Bathocuproine)薄膜层，使得器件的光电转换效率提高 到了2.4%，并且改善了器件的伏安特性曲线，提高了器件 的稳定性。 2005年，A.J.Heeger等人采用在制备电极后再对器件进行热 退火处理的方法有效地提高了电池的能量转换效率，使其 光电转换效率达到了5%。 2007 年，2000 年诺贝尔化学奖获得者、美国加利福尼亚大 学的 Alan J. Heeger 教授领导的研究小组所制造的串联有机 太阳能电池，光电转换效率在实验室条件下达到了 6.5% 2009年 2 月，日本住友化学也宣布获得了 6.5%的转换效 率；同年 10 月，Solarmer Energy 公司又将这一效率提高至 7.6%
.有机太阳能电池的结构
1。肖特基型有机太阳能电池： 首例有机太阳能电池器件结构，基本的物理过程为: 有机半导体内的电子在太阳光照射下被从HOMO能级 激发到LUMO能级，产生电子一空穴对。电子被低功 函数的电极提取，空穴则被来自高功函数电极的电子 填充，从而形成光电流。 光激发形成的激子，只有在肖特基结的扩散层内，依靠节区 的电场作用才能得到分离。而其它位置上形成的激子，必须 先移动到扩散层内才可能形成对光电流的贡献。但是有机分 子材料内激子的迁移距离相当有限的，通常小于10nm。所 以大多数激子在分离成电子和空穴之前就复合掉了，导致了 其光电转换效率较低。
有机光伏材料具有不同于无机材料的几大特点：
.条件下,不能直接产生自由电子和自由空穴,而是产 生光生激子,激子在特定的条件下才能分离出自由 电子和自由空穴; 分子间力微弱,分子中价电子的最高已占轨道 (HoMO)和最低未占轨道(LUMO)不足以相互作用 形成整个材料的导带和价带,所以电荷以跳跃的方 式在定域状态形式的分子之间传输,而不是能带内 传输,所以其迁移率较低; 具有较高的光吸收系数和较窄的光波长吸收范围; 大多数有机光伏材料在水氧存在的条件下具有不 稳定性"
有机太阳能电池
3.有机太阳能电池优势与不足
相比，在转换效率、光谱响应范围、电池的稳定性方面，有机太阳能电池还有待提 高。各种研究表明，决定光电效率的基本损失机制主要有：
①半导体表面和前电极的光反射；②禁带越宽没有吸收的光传播越大；③由高能光 子在导带和价带中产生的电子和空穴的能量驱散；④光电子和光空穴在光电池的光 照面和体内的复合；⑤有机染料的高电阻和低的载流子迁移率。
2.有机太阳能电池工作原理
聚合物材料： 太阳能电池上应用的聚合物首先必须是导电高分子，并且聚合物的微观结构和宏 观结构都对聚合物材料的光电特性有较大影响。导电性聚合物的分子结构特征是含有 大的π电子共扼体系，而聚合物材料的分子量影响着共扼体系的程度。材料的凝聚状 态(非晶和结晶)、结晶度、晶面取向和结晶形态都会对器件光电流的大小有影响。主 要的聚合物材料有聚对苯乙烯(PPv)、聚苯胺(队Nl)和聚唆吩(PTh)以及它们的衍生物 等。
有机基太阳能电池
报告人
一、有机太阳能电池简介 二、工作原理
目录
三、优势与不足 四、现状与前景
五、总结
1.有机太阳能电池简介
有机太阳能电池：有机太阳能电池，就是由有机材料构成核心部分，基于 有机半导体的光生伏特效应，通过有机材料吸收光子从而实现光电转换的 太阳能电池。 广泛的讲有机太阳能电池主要是利用有机小分子或有机高聚 物来直接或间接将太阳能转变为电能的器件。
2.有机太阳能电池工作原理
有机小分子材料
分子量的大小分类 有机聚合物材料
小分子材料： 是一些含共轭体系的染料分子，它们能够很好地吸收可见光从而表现出较好的 光电转换特性，具有化合物结构可设计性、材质较轻、生产成本低、加工性能好、 便于制备大面积太阳能电池等优点。但由于有机小分子材料一般溶解性较差，因而 在有机太阳能电池中一般采用蒸镀的方法来制备小分子薄膜层。有机太阳能电池器 件中常用的小分子材料主要有酞著、叶琳、并五苯和富勒烯等
有机太阳能电池缩写
有机太阳能电池缩写OPV，全称有机光伏（Organic Photovoltaic），也被称为柔性太阳能电池，是一种基于有机化合物的太阳能电池。
有机太阳能电池最早由美国洛杉矶加州大学的Alan J.Heeger教授、日本东京大学的HiroshiImahori教授和英国剑桥大学的Richard H.Friend教授等人在1980年代中期独立发现，并于1990年代进一步研发，成为了当今太阳能电池领域的一个重要子分支。
有机太阳能电池的特点主要包括以下几个方面：1. 柔性性能：由于有机太阳能电池基于塑料等柔性材料制成，可以具备出色的柔性性能，可以被弯曲、拉伸、折叠，使其在一定程度上可以适应各种不同的形状需求。
2. 轻薄透明：有机太阳能电池通常是透明、轻薄的，这些特点使得它在未来的各种领域都有广泛的运用前景。
3. 成本低廉：相比于传统的硅基太阳能电池，有机太阳能电池的成本较低，这使得它可以通过消费性电子产品市场进一步推广。
4. 可降解性：与传统的硅基太阳能电池不同，有机太阳能电池由于使用的材料是有机化合物，因此可以通过类似于生物降解的方式进行回收和再利用，具备更好的环保性能。
有机太阳能电池在不同的应用领域都有着广泛的前景。
自从有机太阳能电池提出以来，各种新的有机材料都被用来制造有机太阳能电池。
目前，有机太阳能电池主要被应用于以下几个方面：1. 可穿戴电子：有机太阳能电池可以被应用于可穿戴电子设备，例如智能手表和健康监测器等。
通过柔性性和轻薄透明的特点，有机太阳能电池可以制成更为方便舒适的可穿戴电子产品。
2. 智能家居：有机太阳能电池也可以被应用于智能家居产品，例如电动卷帘和智能窗帘等。
通过其柔性性能和轻薄透明的特点，有机太阳能电池可以被制成更为方便好用的智能家居电子产品。
3. 农业领域：有机太阳能电池可以被应用于农业领域，例如可移动太阳能灯塔，可以为农村地区提供光照和电力服务。
总体来说，有机太阳能电池目前的技术发展尚处于探索和研究阶段，但是它的柔性性能和成本优势使其在消费电子、智能家居和农业领域等方面具备广泛的应用前景。
有机太阳能电池的结构和基本工作原理
有机太阳能电池的结构和基本工作原理
有机太阳能电池是一种新型的太阳能电池技术，其结构和基本工作原理如下：
1. 结构：
有机太阳能电池由多层薄膜组成，包括透明导电玻璃基底、导电层、有机半导体薄膜、阳极和阴极层等。
2. 基本工作原理：
（1）太阳光吸收：有机太阳能电池中的有机半导体薄膜主要
起到吸收光能的作用，这些有机材料能够吸收较宽的光谱范围，包括可见光和红外光。
（2）载流子产生：当有机半导体吸收光能后，光能会激发材
料内部的分子，产生自由的电子和空穴（缺电子的位置）。
（3）电荷分离：产生的电子和空穴会被电场分离，电子朝阳
极流动，而空穴朝阴极流动。
这个过程主要依靠有机材料中的界面和电场效应。
（4）电流输出：通过电连接，阳极和阴极之间的电子流就可
以形成一个电流。
这个电流可以用来进行电力输送或供电。
需要注意的是，有机太阳能电池虽然具有制造成本低、制备过程简单等优势，但其效率相对较低，通常在光电转换效率上还有待改进。
有机太阳能电池
有机化合物太阳能电池随着全球能源需求量的逐年增加,能源问题成为世界各国经济发展遇到的首要问题。
太阳能作为一种绿色能源,取之不尽,用之不竭,是各国科学家开发和利用的新能源之一.1954年,美国的贝尔研究所成功地研制出硅太阳能电池,开创了光电转换研究的先河。
之后关于太阳能电池的研究迅速发展起来, 最初主要集中于以单晶硅为活性材料的无机太阳能电池。
20世纪90年代又发展了砷化镓、碲化镉以及叠层GaInP/GaAs/Ge等器件,它们由单晶、多晶或非晶薄膜构成。
由于无机太阳能电池原料成本高,生产工艺复杂和窄带隙半导体的严重光腐蚀使太阳能发电不能大面积推广。
要使太阳能发电得到大规模应用,就必须降低成本。
有机半导体材料是最为廉价和最有发展潜力的太阳能电池材料,其优势表现为: 一方面,由于有机材料合成成本低,功能和结构易于调制,柔韧性及成膜性都较好；另一方面,由于有机太阳能电池加工过程相对简单,可低温操作,器件制作成本也随之降低。
除此之外,有机太阳能电池的潜在优势还包括:可实现大面积制造、可使用柔性衬底、环境友好、轻便易携等,有望应用在手表、便携式计算器、玩具、柔性可卷曲系统等体系中为其提供电能。
1.有机太阳能电池简介1.1有机太阳能电池基本原理太阳能电池的基本原理是基于半导体异质结或金属半导体界面附近的光伏效应,所以又称为光伏电池。
当光子入射到光敏材料时,激发材料内部产生电子和空穴对,在静电势能作用下分离,然后被接触电极收集,这样外电路就有电流通过. 有机太阳能电池利用的也是光伏效应。
在太阳光的照射下有机材料吸收光子,如果该光子的能量大于有机材料的禁带宽度E,就会产生激子(电子空穴对)。
激子的结合能大约为0.2～1.0eV,于相应的无机半导体激发产生的电子空穴对的结合能,因此激子不会自动解离。
两种具有不同电子亲和能和电离势的材料相结触,接触界面处产生接触电势差,可以驱动激子解离。
单纯由一种纯有机物夹在两层金属电极之间制成的肖特基电池效率很低，后来将p型半导体材料(施主Donor)和n型半导体材料(受主Acceptor)结合,发现两种材料界面处激子的解离非常有效,这就是通常所说的p-n异质结型太阳能电池。
有机太阳能电池的原理和应用
有机太阳能电池的原理和应用一、结构和基本原理目前的有机太阳能电池可以分为三类。
第一个有机光电转化器件是由Kearns和CaIvin在1958年制备的，其主要材料为镁酞菁（MgPc）染料，染料层夹在两个功函数不同的电极之间。
在这种有机半导体器件中，电子在光照下被从HOMO能级激发到LUM 0能级，产生一对电子和空穴。
电子被低功函数的电极提取，空穴则被来自高功函数电极的电子填充，由此在光照下形成光电流。
理论上，有机半导体膜与两个不同功函数的电极接触时，会形成不同的肖特基势垒。
这是光致电荷能定向传递的基础。
因而此种结构的电池通常被称为“肖特基型有机太阳能电池”。
在这个器件上，他们观测到了200 mV的开路电压，光电转化效率很低。
此后二十多年间，有机太阳能电池领域内创新不多，所有报道的器件之结构都类似于1958年版，只不过是在两个功函数不同的电极之间换用各种有机半导体材料。
由于肖特基型有机太阳能电池是单纯由一种纯有机化合物夹在两层金属电极之间制成的，因此效率比较低，现在已经被淘汰。
1.2双层膜异质结型有机太阳能电池在肖特基型有机太阳能电池的基础上，1986年，行业内出现了一个里程碑式的突破。
实现这个突破的是柯达公司的邓青云博士。
这个时代的有机太阳能电池所采用的有机材料主要还是具有高可见光吸收效率的有机染料。
邓青云的器件之核心结构是由四羧基苝的一种衍生物（又称作PV）和铜酞菁（CuPc）组成的双层膜。
这种太阳能电池又叫做p-n异质结型有机太阳能电池。
在双层膜结构中，p-型半导体材料（电子给体（Do nor）,以下简记为D）和n-型半导体材料（电子受体（Acceptor），以下简记为A）先后成膜附着在正负极上（下图）。
D 层或者A层受到光的激发生成激子，激子扩散到D层和A层界面处发生点电荷分离生成载流子，然后电子经A层传输到电极，空穴经D层传输到对应的电极。
1992年，土耳其人Sariciftci 在美国发现，激发态的电子能极快地从有机半导体分子注入到C60分子中，而反向的过程却要慢得多。
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TiO2光电阴极
小尺寸效应
❖ 光吸收显著增加，并产生吸收峰的等离子共 振频移
❖ 磁有序态向磁无序态、超导相向正常相转变
❖ 声子谱发生改变
❖ 纳米颗粒的熔点降低
金
块状 1337K 2nm 600K
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极
表面效应
表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数 之比随纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加，粒子的 表面能和表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子性 质的变化。
1976,H.Tsubomura,et al,ZnO,2.5%(at 563nm) 1993,M.Gratzel,Red-dye,10.0%(AM1.5) 1991,M.Gratzel,N3-dye,7.1-7.9%(AM1.5) 1998.K.Tennakone, CuI,4.5%(simulated sunlight)
薄膜厚度一般约： 10 μm
粗糙度 > 1000 ，有效表面积
大
50-70% 的多孔性，使电解液
TiO2的SEM
充分渗入。
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极
量子尺寸效应
导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体d, δ， 电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽，
磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关 光谱线会产生向短波长方向的移动 催化活性与原子数目有奇妙的联系
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池结构和组成
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极
人高
纳米的基本概念
针头
红血球
分子及DNA
氢原子
100万 纳米 1千 纳米
20亿 纳米
1 纳米
0.1 纳米
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极 纳米微粒的基本性质
电子能级的不连续性 •量子尺寸效应 •小尺寸效应 •表面效应 •宏观量子隧道效应
TiO2光电阴极
量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应及量子隧道 效应是纳米微粒与纳米固体的基本特性。它使纳米 微粒和纳米固体呈现许多奇异的物理、化学性质， 出现一些“反常”现象。
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池结构和组成 TiO2光电阴极
TiO2 胶体 在 450 – 500°C
下煅烧
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池结构
染料敏化纳米薄膜太阳电池电池主要由以下几部分组成： 透明导电玻璃、纳米多孔TiO2膜、染料光敏化剂、电解质和反电 极
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池结构
阳极：染料敏化半导体薄膜 TiO2膜:5~20um,1~4mg/cm2
阴极：镀铂的导电玻璃 电解质：I3-/I导电玻璃：8~10Ω/□
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池结构和组成 TiO2光电阴极
纳米材料与纳米结构的定义
纳米材料指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由 它们作为基本结构单元构成的材料。 基本单元按维数分：
零维：空间三维均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等 量子点 一维：空间有两维处在纳米尺度，如纳米丝，纳米棒、纳米管等 量子线 二维：空间有一维处在纳米尺度，如超薄膜，多层膜，超晶格等 量子阱
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池结构和组成 导电基底材料
导电基底材料主要是透明导电玻璃，是在厚度为1-3mm的普通 玻璃表面镀上导电膜制成的。 主要成份是掺F的透明SnO2膜（FTO），在SnO2和玻璃之间有 一层几个纳米厚度的纯SiO2膜，目的是防止高温烧结过程中普 通玻璃中Na+ 和K+等离子扩散到SnO2导电膜中。 ITO也可作为该电池的导电衬底材料。
▪ 一些无机纳米微粒暴露在大气中会吸附气体，并与气体 进行反应（储氢材料）
▪ 很大的比表面，加快化学反应过程 （高效催化剂）
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极
宏观量子隧道效应
隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力 电子具有粒子性又具有波动性，存在隧道效应。一些宏观 物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量 等亦显示出隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池结构和组成 TiO2光电阴极
半导体薄膜主要是纳米TiO2多孔薄膜。它是染料敏化太阳电池 的核心之一，作用是吸附染料光敏化剂，并将激发态染料注入 到电子传输到导电基底。 主要有TiO2，ZnO，Nb2O5，WO3，Ta2O5，CdS，Fe2O3和 SnO2等。
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池简介
1998,Sommeling et al 1998,M,Gratzel,Black-dye,10.4%(AM1.5)
2001,A.Hagfektt et al 6.2% (AM1.5) 2002,W.Kubo et al,6.0%(AM1.5)
2003, 1993,M,Gratzel,N719-dye,10.58%(AM1.5) 2004,M,Gratzel,11.04%(AM1.5)
~12% ~8.3%
4~8%
太阳能电池应用
技术归类 III-V族
基本特性
应用领域
超高效率,超高稳定度
但成本极高
太空应用
单晶硅、多晶硅 有机化合物
高效率,高穩定度, 具成本竞争力
发电应用(取代传统发 电) ，电力供应源
效率及穩定度依產品訂 民生產品应用 定,極具成本竞争優勢 行动生活应用
以有机分子作为光作用材料的太阳能电池主要
导电基底材料又称为导电电极材料,分为光阳极材料和光阴极材 料( 或称反电极). 目前作为导电基底材料的有透明导电玻璃、金属箔片、聚合物 导电基底材料等。 要求导电基底材料的方块电阻越小越好；光阳极和光阴极基底 中至少要有一种是透明的，透光率一般要在85%以上。 用于制备光阳极和光阴极衬底的作用是收集和传输从光阳极传 输过来的电子，并通过外回路传输到光阴极并将电子提供给电 解质中的电子受体。
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池结构和组成 TiO2光电阴极
纳米半导体薄膜的特征: 具有大的比表面积，使其能够有效地吸附单分子层染料，更
好地利用太阳光； 纳米颗粒和导电基底以及纳米半导体颗粒之间应有很好的电
学接触，使载流子在其中能有效地传输，保证大面积薄膜的 导电性； 电解质中的氧化还原电对（一般为I3-/I-)能够渗透到纳米半导 体薄膜内部，使氧化态染料能有效地再生。
有机太阳能电池
1 染料敏化太阳能电池及材料 2 有机聚合物太阳电池 3 有机光伏电池的理论及参数
太阳能电池归类及效率
Sorts of Solar Cell
結晶硅 硅
非晶硅
Materials 单晶硅(晶圆) 多晶硅(晶圆、薄膜) A-Si,a-SiC, a-SiGe
Cell (η%) module (η%)
15~23%
14~18%
12~17%
10~16%
8~13%
6~9%
III-V族
GaAs(晶圆、薄膜) 18~35%
半导体 化合物
II-VI族 多元化合物
CdS,CdTe CuInSe2
10~14% 12~16%
染料敏化型 nMO(TiO2)/Dye/电解质
有机化合物 有机D/A型 高分子/小分子/纳米粉体
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池简介
▪ 1991年，瑞士Grätzel M. 以较低的成本得到了>7%的光 电转化效率。
▪ 1998年，采用固体有机空穴传输材料的全固态DSSCs电 池研制成功，其单色光电转换效率达到33%，从而引 起 了全世界的关注。
▪ 目前，DSSCs的光电转化效率已能稳定在10％以上，寿 命能达 15～20年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的 1/5～1/10。
TiO2光电阴极
表面效应
表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同， 存在大量的表面缺陷和悬空键，具有不饱和性质，因而极易与 其他原子反应，具有很高的化学反应活性。
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池结构和组成
TiO2光电阴极
表面效应
▪ 金属铜或铝的纳米颗粒一遇空气就会燃烧，发生爆炸 (炸药、火箭）
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池原理
导
电二 玻 氧染 璃 化料
钛
电 解 液
碳 电
导
极电
玻
璃
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池原理
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池原理
光
电子注入
染料
电解液
TiO2（20纳米左右）
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池结构和组成 导电基底材料
2003,M.Gratzel, 6.6% (AM1.5)
图1.12 TiO2染料敏化太阳电池发展简况
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池简介
染料敏化太阳电池的优点：
• 从经济角度来讲： 若批量生产，电池的成本在5—10元/(峰瓦)左右[3]，而普通 的硅电池在20-40元/(峰瓦)，因而染料敏化纳米薄膜太阳电 池电池非常适合批量生产，满足城市居民以及广大农村的需 要，特别是对我国近七千万边远地区人口的用电具有实际的 意义。
1 染料敏化太阳能电池及材料
➢DSSC 电池简介