有机小分子太阳能电池材料与器件(陈永胜等 编著)思维导图
有机太阳能电池材料ppt课件
13 4、有机太阳能电池材料的材料研究
4. 1 应用于有机太阳能电池的小分子材料
小分子光伏材料由于具有纯度高、易合成等优点，成为研究光 伏器件基本原理的理想材料之一。小分子光伏材料一般采用热蒸镀 方法制备器件，部分可溶性小分子也可以采用溶液旋转甩膜法、喷 涂法、自组装法、推膜法和丝网印刷等方法.
概括地讲,小分子光伏材料主要分为5类: 酞菁类材料、液晶材料、 稠环芳香化合物、噻吩寡聚物和三苯胺及其衍生物等.
广阔的应用前景。 近年来，有机太阳能电池的光电转化效率具有
突破性的提高。2001年有机太阳能电池光电转化效率仅为2.5%，
2011年servic研究小组制成有效面积1cm2的有机太阳能电池%其光
电转化效率已经超过10%。近年来有机太阳能电池的光电转化效
率变化趋势如图所示：
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6 2、有机太阳能电池材料的工作原理
由于电子与空穴在同一材料中传输，复合几率较大，所以单质 结结构有机太阳能电池的光电转换效率低。
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2.2、p-n异质结结构
p-n异质结结构有机太阳能电池电池结构为：玻璃/ITO/n-染料/p染料/金属电极。与单质结结构有机太阳能电池相比，其光电转换效 率高，因为供体-受体异质结结构的存在。
4.1.4 噻吩寡聚物
在寡聚噻吩的两端引入强吸电子基团二氰基乙烯基(DCV)后，得到受 体-给体-受体体系DCV5T材料，该材料使寡聚噻吩的能隙下降了 0.7 eV。 基于DCV5T和C60制备的双层异质结器件，其能量转换效率达到3.4 %。
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16
2006 年，Sun等人合成了新型X状噻吩寡聚物X-OT。在这类材料的 合成过程中，可以有效地调节噻吩支链的长度，达到优化材料光伏性能 的目的。实验发现，材料中的噻吩环越多，光伏性能越好，这主要是因 为噻吩支链越长，电子的共轭性就越好，材料的光谱吸收范围就越宽； 同时，噻吩支链越长还可以进一步优化材料的成膜性能。目前，基于给 体材料X-OT制备的光伏器件，在100mW/cm2 的模拟太阳光照射下，其 能量转换效率为0.8 %。此外，还有以Si为核心的星状材料，也是光伏 性能较好的电子给体材料。
第六章 太阳能电池的基本结构 经典太阳电池基础课件
染料目前大致分为3类：有钌吡啶有机金属 配合物 、酞菁和菁类系列染料 和天然染
料．经过实验证明，用钌吡啶有机金属配 合物敏化TiO2 电极的效果最佳．人们通过 研究钌吡啶配合物敏化太阳能电池中各个 环节的动力学速率常数发现，要获得较高 的光电转换效率，首先使合成出的染料具 有稳定的氧化态和激发态，这样不但会使 电池具有较高的逆转能力，还会使染料中 的电子注入效率提高.
❖ 为了克服液体电解质的不足，人们开始致力 于固体电解质的研究上．在染料敏化太阳能 电池中，电解液的作用是将电子传输给激发 态染料，空穴传输到对电极，从而完成一个 光路循环．
由于电解液是透明的液体，不会阻碍染料
对光的吸收，而且能完全覆盖附有染料的 多孔TiO2 膜，充分利用了纳米膜的高比表 面，有利于电荷的传输．为了使固体电解 质也具有液体电解质的性质，从而完全取 代液体电解质，固体电解质应具备的条件 是：①透明或在可见光区吸收率低．② 固
6表面复合速率
低的表面复合速率有助于提高ISC，并由于I0 的减小而使VOC改善。前表面的复合速率测量起 来很困难，经常被假设为无穷大。一种称为背表 面场（BSF）电池设计为，在沉积金属接触之前， 电池的背面先扩散一层P＋附加层。
7串联电阻
在任何一个实际的太阳电池中，都存 在着串联电阻，其来源可以是引线、金属 接触栅或电池体电阻。不过通常情况下， 串联电阻主要来自薄扩散层。PN结收集的 电流必须经过表面薄层再流入最靠近的金 属导线，这就是一条存在电阻的路线，显 然通过金属线的密布可以使串联电阻减小。
r：复合概率，对于特定的材料是一特定的 常数，n0，p0为平衡载流子的浓度。
在小注入的情况下t取决于复合概率。一般 而言带隙越小，温度越高，直接复合的概 率越大，t还与多数载流子的浓度成反比。
有机无机卤化物钙钛矿太阳能电池：从基本原理到器件
值得一提的是，这本书还为读者展现了钙钛矿太阳能电池在未来的应用前景。 随着技术的不断进步，钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性得到显著提升，使其 在光伏发电、太阳能汽车、便携式电源等领域的应用成为可能。书中深入剖析 了这些潜在应用的市场需求和技术挑战，为感兴趣的读者提供了丰富的参考信 息。
在阅读《有机无机卤化物钙钛矿太阳能电池：从基本原理到器件》的过程中， 我们不仅了解了钙钛矿太阳能电池的基本原理和制作工艺，更看到了科研人员 对于清洁能源的执着追求和对于科技创新的坚定信念。这本书不仅为科研人员 提供了宝贵的参考资料，也为广大对新能源技术感兴趣的读者打开了一扇探索 之门。
内容摘要
《有机无机卤化物钙钛矿太阳能电池：从基本原理到器件》是一本全面介绍钙钛矿太阳能电池的 原理、制备和应用的书籍。在这篇内容摘要中，我们将概述这本书的核心内容，包括钙钛矿太阳 能电池的基本原理、器件结构、制备方法以及应用前景。 这本书深入浅出地讲解了钙钛矿太阳能电池的基本原理。通过对比传统硅基太阳能电池，阐述了 钙钛矿材料独特的能带结构和光学性质，以及在光电转换过程中的重要作用。同时，还对钙钛矿 材料的物理和化学性质进行了详细介绍，为后续的器件制备和应用奠定了基础。 在器件结构方面，这本书详细介绍了钙钛矿太阳能电池的各种器件结构，包括单结、多结、叠层 和异质结等结构。通过对比不同器件结构的性能优劣，阐述了器件结构设计对光电转换效率的影 响。还对钙钛矿太阳能电池中的界面结构和载流子输运机制进行了深入探讨，为优化器件性能提 供了思路。
目录分析
《有机无机卤化物钙钛矿太阳能电池：从基本原理到器件》一书，从多个角度 全面地探讨了钙钛矿太阳能电池的各个方面。这本书不仅介绍了钙钛矿太阳能 电池的基本原理，还深入探讨了其器件特性，以及如何在实际应用中实现效率 和稳定性的提升。
《太阳能电池材料》课件
纳米晶太阳能电池的制备工艺
纳米晶合成
通过化学方法合成所需的纳米晶材料。
纳米晶涂布
将纳米晶材料涂布在基底上，形成薄膜。
掺杂和电极制备
将电解质掺杂到纳米晶薄膜中，然后制备电极，完成纳米晶太阳能 电池的制备。
05 太阳能电池材料的发展趋势与挑战
提高光电转换效率的途径
1 2 3
研发新型材料
探索和开发具有更高光电转换效率的新型太阳能 电池材料，如钙钛矿太阳能电池、染料敏化太阳 能电池等。
表面处理和电极制备
对薄膜进行表面处理，然后制备电极，完成多元化合物太阳能电池的 制备。
有机太阳能电池的制备工艺
01
02
03
染料合成
合成所需的染料分子，这 些分子具有光电转换性能 。
染料涂布
将染料分子涂布在基底上 ，形成薄膜。
掺杂和电极制备
将电解质掺杂到染料薄膜 中，然后制备电极，完成 有机太阳能电池的制备。
多元化合物太阳能电池
总结词
多元化合物太阳能电池采用多种元素组合的材料体系，具有高吸收系数和宽光谱响应。
详细描述
多元化合物太阳能电池采用多种元素组合的材料体系，如铜锢硒、铜铟镓硒等，这些材料具有高吸收系数和宽光 谱响应，能够吸收太阳光中的多种波长。多元化合物太阳能电池的转换效率较高，但制造成本较高，且稳定性相 对较低。
优化材料结构
通过调整材料的组成、结构、形貌等参数，提高 材料的光吸收、载流子分离和收集效率，从而提 高光电转换效率。
表面处理和电极设计
采用表面涂层、粗糙化、反光镜等手段增强光的 吸收和反射，优化电极结构以降低载流子复合损 失。
降低成本的方法
降低材料成本
通过优化合成工艺、采 用低成本原材料等方法 降低太阳能电池材料的 生产成本。
《有机太阳能电池》PPT课件
2.有机太阳能电池机理介绍
2.1有机太阳能电池中的基本物理过程：
光的吸收和激子的产生： 光被有机材料吸收后激发有机分 子从而产生激子。
激子的扩散和解离： 通常激子可以被电场、杂质和适 当的界面所解离。
载流子的收集：由于有机太阳能电 池器件的厚度很薄，两个电极的功 函数差值建立起来的电场较强， 可以较为有效地分离自由载流子
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。
3.3体异质结型有机太阳能电池
物 MEH一PPv和富勒烯(C00)的衍 生物PCBM按一定的比例掺杂制 成体异质结结构，由于两种材料 互相掺杂，掺杂尺寸在几个至几 十纳米之间，这样，在掺杂层内 任何一处形成的激子都可以在其 扩散长度之内到达界面处分离 形成电荷，因而可以获得极高的 激子分离效率。
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%。
之后，太阳能电池的光电转换效率提高到5.4%左右。
今年7月，由德国的Heliatek公司，巴斯夫公司和德累斯顿大学应用研究所光物理 联合研发的叠层有机太阳能电池转换效率打破了此前5.4%的世界记录，将记录提 高为5.9%。并且该研究项目研究工作将持续到2011年6月。
有机材料合成成本低、功能易于调制、柔韧 性及成膜性都较好;.
太阳能电池材料ppt课件
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非晶硅太阳能电池
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三种硅基太阳能电池性能分析
种类
优势
劣势
转换效率
单晶硅太阳能电池
转化效率最高，技术最为 硅消耗量大，成本高，工艺
成熟
复杂
16%-20%
多晶硅太阳能电池
转化效率较高
多晶硅生产工艺复杂，供应 受限制
14%-16%
非晶硅薄膜太阳能 电池
成本低，可大规模生产
几种材料能源转换效率
35 30 25 20 15 10
5 0
单晶硅 多晶硅 非晶硅 砷化镓 碲化镉硒化铜铟纳米晶硅 微晶硅 聚合硅
能源转换效率（%）
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50
各类太阳能性能比较
种类
材料
太阳能单 电池效率
单晶硅
15~24%
太阳能电 池模块效
率
主要制备方法
13~20%
表面结构化 发射区钝化 分区掺杂
转换效率不高，光致衰退效 率
9%-13%
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微晶硅太阳能电池
(4)微晶硅(μc-Si)太阳能电池
非晶硅对红外区域太阳辐射不 敏感，本身具有光致衰退效应，稳 定性不好，在非晶硅薄膜基础上经 退火处理得到微晶硅薄膜太阳能电 池，稳定性和光转换效率得到提高。 （禁带宽度接近单晶硅，为1.12e V）。
单晶硅电池转换效率最高，但生产成本高。
第二代：薄膜太阳能电池
基于薄膜技术基础之上，主要采用非晶硅及氧化物等 为材料。效率比第一代低，但生产成本最低。
第三代：化合物薄膜太阳能电池（铜铟硒 （CIS））等及薄膜Si系太阳能电池。
转化效率高，低成本，存在潜在庞大的经济效应。
二章太阳能电池的基本原理及其结构-PPT精品
異質接面型太陽能電池元件 (HeteroJunction Solar Cell)
39
2-3太陽能電池的製作
透明電極
金屬電極
(c) 可 繞 曲 非 晶 矽 型 太 陽 能 電 池 構 造
光
a-p a-i
n-Si
a-i a-p
光
(d) 附 有 本 質 膜 異 質 接 面 HIT 型 太 陽 能 電 池 構 造
圖2-3 p-n接面型太陽能電池元件的基本結構及其組成
34
2-2太陽能電池的基本結構
接面區域 電子
2-1-1量子力學以及光電效應
一般太陽能電池所使用的核心材料是半導 體材料，在自然界中的半導體材料種類：
有機半導體材料 無機半導體材料
在無機半導體材料方面：
矽系列半導體材料 化合物系列半導體材料 陶瓷系列半導體材料
29
2-1-1量子力學以及光電效應
在矽材料之中，摻雜第五族的元素於其內， 則所形成的半導體是帶有較多電子的n型 半導體
(1) 元 件 結 構
(2) 能 帶
本 質 費 米 能 階 (E Fi) 費 米 能 階 (EF )
(3) 電 荷 密 度 ( ,C oul / cm 3 ) (4) 電 場 分 佈
空間電荷區域
p
Xp
n
Xn
(qVbi) 電 位 能 障 礙
E Fi
qNd
Xp
Xn
X p 電 場 (E) qN a
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2-2太陽能電池的基本結構
若太陽能電池有串聯電阻負載的時候，則
其等效電路示意圖，如圖2-7所示
串聯電阻 電流 (I) Rs
太阳能电池的工作原理课件PPT
5500 K
- 表面辐射密度 63000 kW/m2
- 辐射能量
3.36 x 1024 MWh/a
- 大气层外太阳光谱分布分类与所占比例
紫外线:
＜380 nm ( 6.46% )
可见光: 380 - 780 nm (46.25%)
红外线:
＞780 nm (47.29%)
地球的数据
- 到太阳的平均距离
3. 光敏传感器 光照强度不同，电流大小也不一样。
§3-2 太阳电池的工作原理
通常应用的太阳电池是一种将光能直接转换成电能的 半导体器件，其基本构造是由半导体的P-N结组成。
3.2.1 P型和N型半导体
❖ 半导体 (semiconductor) *
➢ 定义：形成材料的电阻率界于金属与绝缘材料之间的材料。 ➢ 电阻率在某个温度范围内随温度升高而增加。 ➢ 电导率在10-4～104/（Ω.cm）之间。
Uoc U0 (1 T )
温度对太阳电池的影响
5—太阳入射角为48.
在太阳电池两端连接负载，实现了将光能向电能的转换。
1
12x1015 MWh/a
在一定温度和辐照度条件下，太阳电池在开路情况下的端电压，亦即伏安特性曲线与横坐标的交点所对应的电压，通常用UOC来表示。
- 表面温度
5500 K
§3-2 太阳电池的工作原理
η=UmIm/AtPin 式中： Um、Im----最大输出功率点的电压、电流； At ----包括栅线面积在内的太阳电池总面积； Pin ----单位面积入射光的功率。
【例3-1】某一面积为100cm2的太阳电池，测得其最大功率为1.5W，则 该电池的转换效率是多少？
解：
太阳电池转换效率 η =UmIm/AtPin
有机-聚合物太阳能电池
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 激子产生激子扩散 电荷分离 反射，透过 电荷收集 电荷传输 转换步骤 光的吸收 激子复合 激子传输过程中复合，电荷未分离导致激子复合 电极附近复合，电极势垒电荷中和，电荷束缚 入射光子 损失机制 电荷传至各自的电极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。
《太阳能电池机理》PPT课件
• 对于固态电池，离子扩散将成为影 响光电流的重要因素
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DSC的IPCE与理论效率
N719染料
black染料
带边：750nm
带边：900nm
Eg：1.65-1.7ev Eg：1.3-1.4ev
理论效率 ＞20% 理论效率 ~30%
• 总体来说不是重点
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DSC的主要研究方向
• 半导体纳晶电极
• 染料 • 电解质体系
提高电池效率
• 对电极
• 柔性电池 • 提高寿命和长期稳定型
电池实用化
• 大面积电池和电池阵列
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计算重点
• 半导体
– 导带位置 – 输运机制 – 复合反应速度 – 表面状态
• 染料
– 能带位置 – 激发态性质 – 聚集态性质
电池结构
背接触电池（Sunpower）
商业化单晶硅电池组件
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单晶硅电池的实验室效率进展
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工业化单晶硅电池效率路线图与关键技术
22%
20% 18%
16% 14%
14.5%
15.9%
16.9%
17.1%
19.0%
18.9%
19.8%
20.0%
Efficiency
12%
10%
impact ionisation
tandem (n = 2)
down-converters
single cell
0%
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实际电池效率
吃透太阳能电池!有机太阳能电池结构原理全解析!
吃透太阳能电池!有机太阳能电池结构原理全解析!导语：为增进大家对太阳能电池的认识，本文将基于两点介绍有机太阳能电池：1、有机太阳能电池结构原理，2、有机太阳能电池应用前景。
如果你对太阳能电池具有兴趣，不妨继续往下阅读哦。
为增进大家对太阳能电池的认识，本文将基于两点介绍有机太阳能电池：1、有机太阳能电池结构原理，2、有机太阳能电池应用前景。
如果你对太阳能电池具有兴趣，不妨继续往下阅读哦。
一、有机太阳能电池结构原理太阳能电池，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片，又称为“太阳能芯片”或“光电池”，它只要被满足一定照度条件的光照度，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。
在物理学上称为太阳能光伏(Photovoltaic，缩写为PV)，简称光伏。
而有机太阳能电池，便是太阳能电池中的一种。
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。
有机太阳能电池作为新型太阳能电池器件，具备柔性、质量轻、颜色可调、可溶液加工、大面积印刷制备等特点，是目前太阳能电池研究领域的热点。
但是效率低是限制其大规模应用的主要原因。
下面，我们正式看一下有机太阳能电池的结构原理。
1 有机太阳能电池的原理有机太阳能电池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。
主要的光敏性质的有机材料均具有共轭结构并且有导电性，如酞菁化合物、卟啉、菁(cyanine)等。
2 有机太阳能电池的几种结构有机太阳能电池按照半导体的材料可以分为单质结结构、P-N 异质结结构、染料敏化纳米晶结构。
3 单质结结构单质结结构是以Schotty势垒为基础原理而制作的有机太阳能电池。
其结构为玻璃/金属电极/染料/金属电极，利用了两个电极的功函不同，可以产生一个电场，电子从低功函的金属电极传递到高功函电极从而产生光电流。