光电转化高分子材料27页PPT

29.03.2020
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光电流曲线即在一定光强的光照下，监测电 池的电流电压记录成曲线。从电池的光电流 曲线我们可以读出短路电流(Isc)(shortcircuit current)和开路电压(Voc)(open Circuit voltage)．其中 JSC=JL/(1+RS/RP) VOC=kT/qln(JL/JD)
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性能参数
暗电流曲线是指太阳能电池在没有光照下的 电压一电流(IV)曲线，测试方法与光电流一 样，只是必须完全隔绝光线。测量暗电流的 意义在于观测电池器件是否具有二极管特性， 同时可以表征电池的整流效应，好的电池应 该有比较高的整流比，也就是正向暗电流比 反向暗电流高越多越好。
▪ 太阳能是可再生能源，是真正意义上的环保洁净 能源，其开发利用必将得到长足的发展，并终将 成为世界能源结构中的主导能源。太阳能的开发 利用必将得到长足的发展，并终将成为世界能源 结构中的主导能源。
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太阳能电池的定义
太阳能电池是太阳能光伏发电的基础和核心， 是一种利用光生伏打效应把光能转变为电能的器 件。用适当的光照在上边之后器件两端会产生电 动势。
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性能参数
材料的性能是怎样表征的？ ——将光电材料制成光电池
☺ 光电转换材料最重要的用途是制作太阳能电 池。
➢ 硅太阳能电池
成本昂贵、工艺复杂、材料要求苛刻。
➢ 有机光电池
潜在的低成本、轻重量和分子水平的可设计性
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有机/聚合物太阳能电池
▪ 聚合物太阳能电池一般由共轭聚合物给体和富勒烯衍生 物受体的共混膜夹在ITO透明正极和金属负极之间所组 成，具有结构和制备过程简单、成本低、重量轻、可制 备成柔性的器件等突出优点。近年来成为国内外研究热 点。
咔唑及衍生物是当今研究较多，应用开发较好的 一类光电材料。
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激发态的能量转移：
D*+A——D+A*
偶极-偶极能量转移（foster能量转移）
D*
A
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D
A*
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电子交换能量转移（dexter能量转移）
D*
A
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D
A*
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D源自文库A*——D++A-
D
▪ 结构规整的聚(3-己基)噻吩(P3HT)和可溶性C60衍生物 PCBM是最具代表性的给体和受体光伏材料。基于 P3HT/PCBM的光伏器件能量转换效率稳定达到3.5～ 4.0%左右，使这一体系成为聚合物太阳能电池研究的标 准体系。但P3HT/PCBM体系也存在电子能级匹配性不 好（P3HT的HOMO能级太高或者说PCBM的LUMO能级 太低）的问题，这导致了器件的开路电压较低，只有0.6 V左右，这限制了其能量转换效率的进一步提高。
内容
▪ 研究背景 ▪ 太阳能电池 ▪ 相关原理与性能参数 ▪ 设想 ▪ 参考资料
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研究背景
▪ 能源问题是人类面临的最现实问题。它不仅仅表 现在常规能源的不足，更重要的是化石能源的开 发利用带来的诸多环境问题。目前全球热点问题 是如何迎接在能源短缺和环境保护双重制约条件 下实现经济和社会可持续发展的重大挑战。
典型的太阳电池是一个p-n结半导体二极管。
◆ p-n结的形成过程
◆光生载流子－电子／空穴对的产生
◆ “光生电压”及“光生电流”的产生
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太阳电池
p-n结
“光生载流子” 的产生
光子把电子从价带(束缚)激发到导带(自 由)，并在价带内留下一个/空穴(自由)－ 产生了29自.03由.20电20 子－空穴对
使光敏层产生的激子分离成自由载流子便成为聚合物太 阳能电池正常工作的前提条件。
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离子分离
▪ 电子给体/ 受体方式是实现有机光伏电池中激子分离的 有效途径. 因此, 光敏层至少要使用两种功能材料( 或组 分), 即电子给体(donor 或D)与电子受体(acceptor 或A) 组成. 目前D 相材料主要使用共轭聚合物, 如PPV, 聚噻 吩和聚芴的衍生物, 但它们的能带间隙较高. 最近发展 了低能带间隙的电子给体材料如噻吩、芴、吡嗪等的共 聚物; 而常用的A 相材料主要是有机受体C60及其衍生 物, 纳米ZnO, CdSe 等无机受体材料以及含有氰基等吸 电子基团的共轭聚合物受体材料. 为了使激子过程得以 顺利进行, 要求所选用电子给体的最低空轨道(LUMO) 能级比电子受体的LUMO能级稍高, 这样在能量的驱动 之下, 电子由D 相的LUMO 转移到A 相的LUMO上. 一般 情况下, D 相的LUMO能级比A 相的LUMO能级高 0.3~0.4 eV 时就能使激子有效地分离成自由载流子。
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▪ 到目前为止，研究的光导电性高分子有下面几类： ▪ (1)链中含有共轭键的聚合物，如聚乙炔、聚席
夫碱、聚多烯、聚硅烷等； ▪ (2)侧链或主链中含有稠合芳烃基的聚合物； ▪ (3)侧链或主链具有杂环的聚合物，如聚乙烯咔
唑及其衍生物； ▪ (4)一些生物高分子及其类似物。其中，聚乙烯
“光生电压”的产生
自由电子和空穴扩散进入p-n结，n-p
结作用下，分别在n区和p区形成电子
和空穴的积累
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太阳能电池分类
晶体硅太阳能电池 非晶硅太阳能电池
传统太阳能电池 化合物半导体太阳能电池
纳米晶化学太阳能电池
有机\聚合物太阳能电池
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光电转换材料
☺ 光电转换材料是一种能将光通过一定的物 理或化学方法变成电能的功能材料，是材 料科学研究领域的一个热点。
A*
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D+
A-
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激子太阳能器件就是基于不同材料之间的能量和电 子转移来实现太阳能到电能的转换的。
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光电响应原理
在聚合物太阳能电池中光电响应过程是在光敏层中产生 的. 共轭聚合物吸收光子以后并不直接产生可自由移动的 电子和空穴, 而产生具有正负偶极的激子(exciton). 只有 当这些激子被解离成可自由移动的载流子, 并被相应的电 极收集以后才能产生光伏效应. 否则, 由于激子所具有的 高度可逆性, 它们可通过发光、弛豫等方式重新回到基态, 不产生光伏效应的电能. 在没有外加电场的情况下, 如何