基于有机薄膜的太阳能电池材料与器件研究进展12.
有机太阳能电池的研究与发展
有机太阳能电池的研究与发展近年来，能源危机日益凸显，对可再生能源的需求也越来越迫切。
有机太阳能电池作为一种新型的光电转换装置，具有材料廉价、柔性可塑、制备简便等优点，受到了科学家和工程师们的广泛关注。
本文将探讨有机太阳能电池的研究与发展现状，并展望其在未来的应用前景。
一、有机太阳能电池的基本原理有机太阳能电池的基本原理是利用有机材料对太阳光的吸收并将其转化为电能。
作为太阳能电池的一种，有机太阳能电池可以分为有机分子材料型和聚合物薄膜型两种主要类型。
有机分子材料型利用有机小分子作为活性层，聚合物薄膜型则采用聚合物作为活性层。
当太阳能光子进入活性层后，会激发材料内的电子从基态跃迁到激发态，形成电子空穴对。
通过电子传输层和电子受体的作用，电子和空穴被有效地分离开来，并在阳极和阴极上形成电流，从而产生电能。
二、有机太阳能电池的优势与传统的硅太阳能电池相比，有机太阳能电池具有以下显著优势：1. 材料成本低廉。
有机太阳能电池主要采用廉价的有机材料制备而成，相比于硅材料具有显著的成本优势，有助于降低太阳能电池的制造成本。
2. 柔性可塑。
有机太阳能电池的材料具有较好的柔性和可塑性，可以按照需求进行弯曲和变形，适应各种复杂的曲面形状，有望应用于柔性电子设备领域。
3. 制备工艺简单。
相比于硅太阳能电池复杂的制备工艺，有机太阳能电池的制备过程更简单，提高了制造效率。
三、有机太阳能电池的研究进展有机太阳能电池自问世以来，得到了广泛研究和应用。
研究人员通过不断改良材料结构和器件设计，提高有机太阳能电池的效率和稳定性。
同时，有机太阳能电池在环境适应性、光谱响应范围等方面也有了长足的进展。
以下是目前取得的一些重要研究成果：1. 材料改良。
通过调节有机材料的结构和化学成分，研究人员改善了有机太阳能电池的电子传输性能和光吸收能力，提高了器件效率。
2. 界面优化。
优化电子传输层和阻挡层的界面电性能，提高电子和空穴的传输效率，增强了有机太阳能电池的稳定性。
有机太阳能电池研究现状与进展
０ 引 言
目前，新能源主要有太阳能、风 能、核 能 和 水 能 等，其 中， 太阳能是一种取 之 不 尽、用 之 不 竭 的 无 污 染 能 源，它 的 开 发 利用受到了特别的关注。目前用得最多的太阳能电池是硅 电池，它是依靠光物理效应的原理 发电。但 硅 电 池 对 材 料 的 纯度要求十分苛刻，加工工艺复杂，成本也 较 高，限 制 了 其 大 规模 应 用。１９９１ 年，Ｇｒｔｚｅｌ等［１］用 宽 带 隙 氧 化 物 半 导 体 ＴｉＯ２ 制备了具有高比表面积的纳米多孔薄膜，薄膜上吸附大 量光敏染料后，选 用Ｉ－／Ｉ３－ 作 氧 化 还 原 电 解 质，组 装 成 了 染 料敏化太阳能电池 （ＤＳＳＣ）。 其 生 产 工 艺 简 单，无 需 昂 贵 的 大型设备，所需的前期投 资 较 少，成 本 只 有 硅 电 池 的 １／１０～ １／５。ＤＳＳＣ 与硅电池的原理不同，它是通过光化学过程 实现 光电转化［２］，其最大的特点是光 吸 收 和 电 荷 分 离 传 输 分 别 由 不同的物质进行［３］：光吸收靠吸 附 在 纳 米 半 导 体 表 面 的 染 料 来完成，半导体起 电 荷 分 离 和 传 输 载 体 的 作 用。ＤＳＳＣ 的 最 大优势是电荷传输靠多数载流 子来实 现电荷 传 导，不 存 在 传 统 ｐ－ｎ结太阳能 电 池 中 少 数 载 流 子 和 电 荷 传 输 材 料 表 面 复 合等问题。另 外，ＤＳＳＣ 对 光 照 条 件 的 要 求 不 高，即 使 在 室 内，仍可进行光电 转 换，它 也 可 以 直 接 作 为 窗 户 玻 璃 或 者 以
薄膜太阳能电池的研究及应用
薄膜太阳能电池的研究及应用薄膜太阳能电池是应用广泛的一种太阳能技术，在太阳能发电领域中扮演重要的角色。
如今，在探寻清洁能源的道路上，人们越来越依赖于太阳能发电，薄膜太阳能电池也被认为是一个不错的选择。
一、薄膜太阳能电池的发展历史薄膜太阳能电池最早的研究可以追溯到上世纪50年代末期。
当时美国贝尔实验室发现，硫化镉薄膜对太阳光具有吸收和转化的作用。
进入70年代以后，太阳能技术逐渐得到普及，薄膜太阳能电池因其体积小、重量轻、柔性较强等优势越来越受到人们的关注。
二、薄膜太阳能电池的特点和优势薄膜太阳能电池是一种光电转换器件，与厚薄片太阳能电池相比，其主要优势在于：1、轻薄柔性：薄膜太阳能电池采用薄膜太阳能电池基底，柔性好，可以应用于机器人、电子标签、可穿戴设备等电子产品领域，也可以应用到建筑物的窗户或外墙上。
2、高效：薄膜太阳能电池可以将太阳能转化为电能，具有高效能转换的特点。
目前市面上的薄膜太阳能电池转换效率达到了10%以上。
3、成本低：由于薄膜太阳能电池具有材料低成本、制造过程简单等特点，制造成本比厚薄片太阳能电池更加优势。
三、薄膜太阳能电池的分类按材料分类，薄膜太阳能电池通常分为以下几类：1、薄膜硅（a-Si）太阳能电池：a-Si 是一种非晶硅材料，采用PECVD等技术在薄膜太阳能电池基底上进行压电转换来将太阳光转化为电能。
2、铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池：CIGS 太阳能电池是一种沙莓氏结构的太阳能电池，它的薄膜基底通常是玻璃或不锈钢。
CIGS 太阳能电池的效率高，稳定性好，但是制造工艺相对较为复杂。
3、有机薄膜太阳能电池：有机太阳能电池以有机半导体材料为基础，常见的有机材料有聚合物、酞菁类化合物等。
四、薄膜太阳能电池的应用前景随着全球清洁能源政策和市场的逐渐发展，薄膜太阳能电池在设备制造、能源存储、封装材料、航空航天、汽车行业等领域都有广泛的应用前景。
例如，在建筑领域中，薄膜太阳能电池可用于建筑材料和各种透明材料，如窗户、隔热材料等，以及在大型建筑物如桥梁、道路等地方进行公共区域照明和提供城市光源等多项应用。
有机光电材料的制备及在光电器件中的应用研究
有机光电材料的制备及在光电器件中的应用研究随着科技的不断进步，光电技术已经成为日常生活中不可或缺的一部分。
而在光电技术中，有机光电材料的研究和制备也日益引起了人们的关注。
这些材料广泛应用于 OLED、有机薄膜太阳能电池、有机场效应晶体管等电子学器件中，具有良好的光电性能和易于加工的特点，成为了未来光电领域中的重要一环。
一、有机光电材料的制备方法1. 化学合成法有机光电材料的化学合成方法多样。
其中，常见的有溶液法、水相法、溶胶-凝胶法、溶剂热法等。
溶液法是最常见的有机光电材料制备方法之一，它的原理是把一种或多种有机化合物溶解在适当溶剂中，形成均相溶液，并通过溶液的复杂反应，合成目标化合物。
2. 溶剂热法溶剂热法是一种通过热引发化学反应形成有机光电材料的方法。
其原理是在高温和有机溶剂的作用下，有机化合物发生聚合反应，形成有机光电材料。
相对于其他合成方法，溶剂热法能够快速合成大量均一分子量的高品质有机光电材料。
3. 印刷法印刷法是一种基于纳米颗粒的有机光电材料制备方法。
它将有机光电材料的颗粒印在透明导电薄膜上形成当量点阵，经过烧结、升温、加热等处理，最终形成有机光电薄膜。
二、有机光电材料在OLED中的应用研究OLED 作为新一代光电材料，利用有机电致发光材料的基本原理，将红、绿、蓝三种颜色的电致发光材料结合在一起，形成了具有自发发光的原理，从而实现了真彩的图像显示。
使用 OLED 技术的显示屏幕能够适应广泛的环境和特定需求，如手持阳光下的屏幕，电视屏幕等。
而有机光电材料作为OLED 的重要组成部分，在 OLED 中的应用研究也是当前的热门话题之一。
1.高亮度光电材料的应用研究传统 OLED 光电材料的发光效率已经趋于饱和，此时，研发出高亮度的有机光电材料成为一种必要选择。
高九聚物作为最具有希望的一种高亮度有机光电材料，大量研究在研发中。
该类有机光电材料的分子量达到几千，分子尺寸大，导致光致发光中心的相互作用受到控制，从而改善了发射效率。
光伏材料与器件 有机薄膜太阳电池PPT课件
相对于制造无机电池的高昂代价来讲，有 机太阳能的研究仍旧有很强大的生命力。
➢OPV 简介
有机材料
• van de Waals 力
无机材料
• 共价键+离子键
•
没有自由载流子或者很少，因为材料 中的缺陷和杂质
•
有机薄膜晶体管组件(OTFT)
Source
Au Drain
Pentacene Thermal oxide SiO2
Gate: n+-Si substrate
Source
Au Drain
Tetracene Cross-linked PVP
ITO Gate Glass
PEDOT
印刷式柔性有机IC
OLED显示器优势
1. Acene系列: Pentacene, Tetracene, Pentacene Precursor ……
2. PTCDA系列: PTCDI, PTCBI ……
3. C60系列: PCBM ……
4. Polymer系列: P3HT, P3OT ……
导电聚合物的应用
✓ PLED和PSC的ITO电极修饰层(PEDOT,PAn等) ✓ 聚合物光伏电池(PTh和PPV衍生物等) ✓ 场效应晶体管(FET)半导体材料(PTh衍生物） ✓ 聚合物发光器件（LED&LEC,PPV和PF等） ✓ 化学电源的电极材料 ✓ 修饰电极和酶电极 ✓ 电色显示 ✓ 固体电容器 ✓ 防静电和防腐蚀材料(聚苯胺等) ✓ 微波吸收（隐身材料）
载流子传输层 载流子传输层有时候也是同时作为作用层和电极修饰层的，
他对载流子的收集性能很重要。 ➢ 激子阻挡层（BCP） ➢ LiF ➢ PEDOT：PSS ➢ 碳纳米管 影响：短路电流，填充因子
有机光伏材料与器件研究的新进展
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．
研筮 ． －
有机光伏材料 与器件研究的新进展
东营职业学院 张 霄
【 摘要 】随着有机光伏电池的研究与应用在近几年来得到了快速发展，越来越多专家学者对其进行更深入的研究，本文 主要对有机光伏 电池材料新进展方 面进行概括 ，并对 当前有机聚合物光伏 电池工作效率 较低 的原 因进 行分 析 ，对有机光伏 电池 领域的未来发展前景 以及深入研 究方 向进行探讨 。 【 关键 词 】光伏材料；有机聚合物；器件
互相迁移 运动就 形成 了光能 电流 ，
染料 以及 可溶聚合 物应采 用溶液 旋
转涂 抹 的方 法或刮 涂成膜 等方法 ， 对 于不溶 或难溶 的颜料 分子主 要采
所示 。 二 、有机光伏 电池的基本 工 如图ｌ
作 原 理
然而 有机材 料 的机 子奋 力活动
有机光 伏 电池 的基本 工作原 理 与移动现 象并 不是全 都有效 的 ，因
【 封伟， 晓工． 机 光伏材 料与器 件研 １ 】 王 有
多功 能 的有机光 伏材 料在 未来 究的新进展 Ⅱ化 学通报， ０（ ） 】 ． ２ ３ ５ ０ ０．
高有 基聚合物光伏 电池 性能研究Ｕ． ］ 光子
学报， ０ （７ ２ ９０） ０ ．
２ ］ 郭金川， 秀全 ， 孙 周彬． 缓冲层提 造成 的，除此 之外 ，光 电流较 低 的 发展 中应通 过分 子设 计朝着 电光特 ［ 孙卫 民，
态之 下 ，其 分子更 加便 于重新 排列 场 的界面位 置上 ，这些 电子 与空 穴 转 换 的过程 中会 受到 不 同因素 的影
或 自行组 合 ，同时还 能够 充分 发挥 所 形成 的组 合将会 产生分 离活动 ， 响 ，从而大 量损耗 ，在光 吸收 的过
薄膜太阳能电池硅衬底陷光结构的研究进展_耿学文
薄膜太阳能电池硅衬底陷光结构的研究进展＊耿学文,李美成,赵连城(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150001)摘 要: 制备高效硅薄膜太阳能电池,需要在整个太阳光谱范围内进行有效陷光和保持低反射率。
最近,对于硅衬底的陷光结构展开了大量的研究工作。
综述了近年来硅衬底陷光结构的研究进展,分析了陷光结构制作的影响因素,展望了薄膜太阳能电池硅衬底陷光结构研究的发展趋势。
关键词: 薄膜太阳能电池;硅衬底;陷光结构中图分类号: TG146.4文献标识码:A 文章编号:1001-9731(2010)05-0751-041 引 言近年来,能源危机和环境污染的日趋严重极大地促进了光伏产业的迅速发展。
太阳能光伏发电的核心器件是太阳能电池,硅太阳能电池由于原料来源广泛,成本较低,占据着太阳能电池市场的主导地位。
降低成本和提高转换效率是太阳电池研究的重点方向。
为了进一步提高太阳电池的光电转换效率,澳大利亚和美国分别提出了第三代太阳能电池的概念,即通过研究太阳能电池的效率极限和能量损失机理,把一些新型电池结构引入薄膜太阳能电池的结构设计中。
第三代太阳能电池主要有叠层太阳能电池、热载流子太阳能电池和量子点太阳能电池等。
藉此,纳米材料和纳米结构由于其独特的物理特性被引入太阳能电池的研究,迅速引起了各国科研工作者的广泛关注[1～4]。
减少电池受光面上入射阳光的反射是提高太阳能电池的光电转换效率的手段之一。
常用的减反射措施主要有:(1)采用传统方法刻蚀硅衬底,刻蚀方法包括:酸、碱湿法刻蚀、反应离子刻蚀、光子/电子束刻蚀和机械刻槽等;(2)在硅衬底表面或电池的受光面制备TiO x(x≤2)、SiN x等减反射膜;(3)在硅衬底表面制备多孔层陷光;(4)在硅衬底表面制备特殊纳米陷光结构,尤其是周期性亚波长光栅结构(SWS)。
2 硅衬底的传统刻蚀方法为降低太阳光在硅片表面的反射率,工业上常用择优化学腐蚀的方法,在硅片表面制备金字塔结构(即绒面结构),从而增加太阳光在硅片内部的有效运动长度,增加太阳光的吸收和利用。
基于CuxO材料在太阳能电池中应用研究进展
基于CuxO材料在太阳能电池中应用研究进展唐颖;王传坤【摘要】环境污染与能源的短缺是制约当今社会发展的重要因素之一.太阳能是一种可持续利用的资源,受到当今社会的重视.太阳能电池是利用光伏效应的一种器件,是未来解决能源短缺和环境污染的有效途径.太阳能电池可以分为无机太阳能电池、有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池.CuxO材料具有资源广泛、带隙接近太阳光谱等特点,适合作为太阳能电池材料.因此,很有必要探讨CuxO材料在太阳能电池中的应用及发展趋势.【期刊名称】《兴义民族师范学院学报》【年(卷),期】2018(000)003【总页数】5页(P102-106)【关键词】太阳能电池;电子缓冲层;空穴缓冲层;能源【作者】唐颖;王传坤【作者单位】兴义民族师范学院, 贵州兴义 562400;兴义民族师范学院, 贵州兴义562400【正文语种】中文【中图分类】TM914.4随着工业化进程的加快，能源消耗给环境带来的污染也日益剧增。
寻求资源的可持续发展成了当今亟需解决的问题之一。
太阳能作为取之不尽、用之不竭的可持续能源，越来越受到人们的重视。
太阳能电池技术是解决未来新能源短缺的关键手段之一，因而受到世界研究者的重视。
传统的太阳能电池主要是硅半导体材料。
但硅太阳能电池成本较高，同时纯硅的提取会造成一定的环境污染。
因此必须找到硅半导体材料的替代品。
太阳能电池按照材料分类主要可以分为无机太阳能电池、有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池等。
无机太阳能电池主要采用晶体硅太阳能电池和半导体薄膜太阳能电池。
无机半导体薄膜太阳能电池和晶体硅太阳能电池相比具有吸收光高、质量轻等特点[1]。
有机太阳能电池和无机太阳能电池相比具有制作工艺简单、柔性以及成本低等特点[2]。
而钙钛矿太阳能电池具有成本低、制备工艺简单，以及可制备柔性、透明及叠层电池等优点成为研究的热点[3]。
有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池具有相似的工作原理。
太阳能电池光电转换过程可以归结于以下几个过程：（1）活性层吸收光子形成电子和空穴对即激子；（2）激子扩散到给体和受体界面，同时在内建电场的作用下实现电子和空穴的分离；（3）分离的电子和空穴沿着受体和供体向阴极和正极移动从而形成电流和电压。
太阳能光电、光热转换材料的研究现状与进展
太阳能光电、光热转换材料的研究现状与进展一、本文概述随着全球能源危机和环境问题的日益严重，太阳能作为一种清洁、可再生的能源，其开发利用已成为全球关注的焦点。
太阳能光电、光热转换材料作为太阳能利用的核心技术之一，其研究现状与进展对于推动太阳能产业的发展具有重要意义。
本文旨在全面梳理太阳能光电、光热转换材料的研究现状，分析当前的研究热点和难点，展望未来的发展趋势，以期为推动太阳能产业的可持续发展提供理论支持和实践指导。
本文将回顾太阳能光电、光热转换材料的发展历程，介绍其基本原理和分类，为后续的研究现状分析和进展讨论奠定基础。
重点分析太阳能光电转换材料，包括硅基材料、薄膜材料、钙钛矿材料等的研究现状，探讨其性能优化、成本降低以及产业化应用等方面的进展。
同时，对太阳能光热转换材料，如选择性吸收涂层、光热转换液体等的研究现状进行梳理，分析其在提高光热转换效率、稳定性以及应用领域拓展等方面的研究成果。
在此基础上，本文将深入探讨太阳能光电、光热转换材料研究中存在的问题和挑战，如材料性能瓶颈、制备工艺复杂、成本高昂等，并提出相应的解决策略和发展方向。
展望太阳能光电、光热转换材料的未来发展趋势，预测其在提高光电转换效率、降低成本、拓宽应用领域等方面的潜在突破，为太阳能产业的可持续发展提供新的动力。
通过本文的综述，旨在为读者提供一个全面、深入的太阳能光电、光热转换材料研究现状与进展的认识，为相关领域的研究人员和企业决策者提供有益的参考和借鉴。
二、太阳能光电转换材料太阳能光电转换材料是能够将太阳光直接转化为电能的材料，主要包括硅基材料、多元化合物薄膜材料、有机和聚合物材料以及染料敏化太阳能电池材料等。
随着全球对可再生能源需求的不断增长，太阳能光电转换材料的研究与应用日益受到重视。
硅基材料作为目前最成熟、应用最广泛的光电转换材料，经历了从单晶硅到多晶硅、再到薄膜硅的发展过程。
单晶硅太阳能电池转换效率高，但成本较高；多晶硅和薄膜硅则具有较低的成本和较好的应用前景。
东芝试制有机薄膜太阳能电池,模块效率达到7.7%
接着，他们和清华大学任俊博士 、哈佛大学 Ｅ ．Ｋ ａ ｘ ｉ ｒ ａ ｓ 教授合作，分析了有机太阳能 的典 型界 面 Ｃ ６ ０ ／ Ｃ ｕ Ｐ ｃ的原 子 结构和 电子耦 合 。他 们 发现 ，界面 处不 同的分 子排 列 方式 （ 水 平 或垂 直 ）对太 阳光 吸收 性能 影 响不 大 ，但 对 于 电子 能级 排 布却 有重 要 作用 。其 中水 平排 列
太阳能电池研究取得进展 基 于 有机 分 子 的太 阳能 电池 作 为传 统高 耗 费 的单 晶太 阳 能器 件最 具潜 力的替 代 者 ， 近年 来 受 到 了广 泛 的关注 。有 机 分子 具 有高 消 光系 数 、无 毒 、易合 成 、价 格低 等优 势 。 目前 这类 电池 有超 过 １ ３ ％ 的能源 转化 效 率 （ ５ ０ ％ 太 阳光 照 下 ）和 较 长 时间 的稳 定性 。尽 管大 量实 验研 究 揭 示 了有机 分 子太 阳 能 电池 的各方 面 宏观 性质 ，如伏 安特 性 、光 谱 、薄膜 形态 等 ，微 观尺 度＿ 卜 有关有机分子界而结构和能量转化机制的图像仍然欠缺。 这阻碍了人们进一步提高太阳 能 电池性 能 。 中科 院物 理 研 究所 ／ 北 京凝 聚 态物 理 国家实 验 室 （ 筹 ）表 面 实验 室博 士 生焦 扬 、张 帆 、 丁子敬和孟胜研究员等最近对基于有机分子 的太 阳能 电池机理作 了细致的理论和实验研究。 使 用包 含 激发 态 信 息 的含 时密度 泛 函理论 模拟 ，他们 发 现 在 Ｔ ｉ 界 面上 分 子 的能 级受 界面
现代材料动态
２ ０ １ ３ 年 第３ 期
有机太阳能电池的材料选择与性能研究
有机太阳能电池的材料选择与性能研究有机太阳能电池是一种新型的绿色能源技术，具有从太阳光中转化能量的特性。
在有机太阳能电池的研究中，材料的选择和性能研究起着重要的作用。
有机太阳能电池通常由两个关键材料构成：光敏剂和电子传输材料。
光敏剂是有机分子，它能够吸收太阳光并将其转化为电荷。
目前研究中广泛使用的光敏剂有聚合物和小分子化合物。
聚合物光敏剂具有很好的可溶性和可加工性，能够形成柔性的薄膜，但其光电转换效率相对较低。
小分子化合物光敏剂在光电转换效率方面表现出色，但其溶解性和加工性相对较差。
因此，有机太阳能电池的材料选择需要在这两者之间取得平衡。
在电子传输材料方面，传统的有机太阳能电池中使用了有机半导体材料。
这些材料可以有效地将光敏剂中产生的电荷输送到电极上，从而产生电流。
然而，有机半导体的载流子迁移率相对较低，这限制了电池的光电转换效率。
为了解决这个问题，研究人员开始探索使用无机材料，例如钙钛矿材料，作为电子传输材料。
钙钛矿材料具有较高的载流子迁移率和较高的光电转换效率，但其稳定性和可制备性仍需要进一步改善。
除了光敏剂和电子传输材料，有机太阳能电池中的其他材料也对器件的性能起着重要的影响。
例如，阳极和阴极材料对电池的稳定性和效率有很大的影响。
常用的阳极材料有氧化锌和氧化锡，而常用的阴极材料有碳材料和金属。
这些材料的选择需要考虑其与光敏剂和电子传输材料之间的界面相容性，以及电荷传输效率和材料稳定性等因素。
此外，器件的结构和制备方法也对有机太阳能电池的性能有重要影响。
例如，不同的电极结构和光敏剂层的厚度对器件的光电转换效率和稳定性有很大的影响。
制备方法的选择和优化也可以提高器件的性能。
例如，采用溶液加工方法可以实现大面积、低成本的器件制备，而真空蒸发方法可以制备高效率的器件。
综上所述，有机太阳能电池的材料选择和性能研究对于提高器件的光电转换效率和稳定性至关重要。
在材料选择上需要平衡光电转换效率、溶解性和加工性等因素。
有机薄膜太阳能电池关键技术研究
有机薄膜太阳能电池关键技术研究人类进入21世纪，能源问题非常严重。
传统化石能源储量正在逐渐减少，面临枯竭，并且其燃烧释放的气体（如二氧化碳等）已造成温室效应等各种环境问题频发，正在威胁着人类生存。
另一方面，人类对电力的需求正在飞速增长，可再生能源就成了最好的替代能源。
因此，聪明的人类将目光投向了各类清洁能源，如：水能、风能、潮汐能、核能以及太阳能等。
万物生长靠太阳，作为清洁能源之一的太阳能也就逐渐进入人们的视野，更重要的是太阳能几乎占地球总能量的99%，以分布广泛，不受地域限制，用之不竭，对人和环境无害无污染，故受科学家们的青睐，随着技术的发展，光电转换效率的提高，太阳能的对人类能源的贡献正在逐年增加。
本文介绍了太阳能电池的历史背景和发展状况，并简要阐述了太阳能电池的基本工作原理；重点介绍了有机薄膜太阳能电池的制备过程中的关键技术，制备了以P3HT（聚-3己基噻吩）:PCBM（[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester）为活性层的有机薄膜太阳能电池；通过光电测试系统，测试了有机太阳能电池的I—V特性曲线通过分析电学特征测试结果得到了改进制备过程中的优化参数，确定了有机薄膜太阳能电池的更佳制备方案。
通过本文的研究工作更加了解了有机太阳能电池在未来的发展方向。
第一章绪论1.1 引言当下，由于人类的过度开发，不可再生能源枯竭，使得世界各国不得不研究、利用可再生能源。
太阳能电池以其可再生、分布广、不受地域限制、且用之不竭、无污染的优势首当其冲，光伏发电的发现，为太阳能的利用提供了原理基础。
在太阳能电池的发展史上，人类最先发现的是硅系太阳能电池，但是提取高纯硅，工艺复杂，价格昂贵，使其受到一定限制，而且硅系的太阳能光电转化效率，理论极限为25%，也就是从根本上限制了它在未来市场的发展。
近几年来，各种多元化合物太阳能电池逐渐进入主流市场，典型的有：砷化镓（GaAs）、磷化铟镓（GaInP）、锑化镓（GaSb）、碲化镉（CdTe）等。
有机太阳能电池材料与器件的研究进展
（ 河南化工职业学院 ，河南 郑州 ４ ５ ０ ０ ４ ２ ）
摘 要 ： 主要介绍有机太 阳能电池器件材料近年来的一些 主要进展和取得的重大突破。首先对有机太阳能电池的
原理及基本结构进行简单的介绍，然后对有机太阳能电池的核心有机材料部分进行了详细的介绍 ，最终得出结论 ： 有机
太 阳能 电池在将来得到商业化普及是发展的必然趋势，它将成为世界重要能源之一。 关键词 ： 有机太阳能 电池 ； 有机材料 ； 原理 ； 结构 中图分类号 ： Ｔ Ｍ９ １ ４ ． ４ 文献标识码 ： Ａ 文章编号： １ ６ ７ １ — ９ ９ ０ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ９ － ０ ０ ２ ＿ ２ － ０ ４
目前能源问题是世界各 国经济发展遇到的首要
问题 之 一 ， 太 阳能 是 未来 最 有希 望 的 能源 之 一 。随
为有机太 阳能电池研究 的标志性开端 ， 并为以后 的 发 展奠定 了基 础 。但 自第 一个 有机太 阳能 电池 问世 以来 ， 其转化效率一直不高， 与无机太 阳能电池相 比
于紫外区的能量 ， 因而捕获太 阳光的能力非常差 ， 无 将这些与宽 聚合物材料 ） 结构 、 双层 （ 给体 受体 ） 异质结结构 法直接用于太阳能 的转换 。研究发现 ， 和本体 （ 给体 一受体共混 ， 包括共轭聚合物 一 无机 带隙半导体的导带和价带能量匹配的一些有机染料 吸附到半导体表 面上 ， 利用敏化剂对可见光的强吸 收从 而将体系的光谱响应延伸到可见区 ， 这种现象 称 为 半 导体 的染 料敏 化作 用 ［ ９ ］ 。 目前 研究 较 多 的染
一
集在 相应 的 电极 上 ， 就形成 了光 电压 。
２ 基 本 结 构
电池 的 顶 部 为 玻 璃 基 底 ， 在 玻 璃 基 底 上 镀 有 层 可透 光 的金 属 电极 ， 一 般 为 铟锡 氧化 物 ｆ Ｉ Ｔ Ｏ ） 。
新型能源材料与器件的研究进展
新型能源材料与器件的研究进展近年来，新型能源材料与器件的研究受到了越来越多的关注。
由于传统能源资源日益减少，新型能源成为了未来发展的重要方向。
而新型能源材料与器件作为新能源技术的重要基础，具有重要的研究意义和应用前景。
本文将从材料和器件两个方面来探讨新型能源材料与器件的研究进展。
一、新型能源材料的研究进展1.太阳能电池材料太阳能电池是当前最为广泛使用的新能源中的一种。
太阳能电池的电池材料即半导体材料的研究一直是热门话题之一，研究人员根据实际需要，开发出了多种不同类型的太阳能电池材料，其中包括硅基太阳能电池、有机太阳能电池、无机-有机杂化太阳能电池等。
硅基太阳能电池的效率已经达到了22%左右，这种电池的材料主要是硅晶体材料。
但硅晶体材料有着生产成本高、加工困难等问题，为了解决这些问题研究人员还开发出了非晶硅、多晶硅等材料，并对其进行提纯和掺杂等改进，以提高太阳能电池的效率。
有机太阳能电池则是以含有芳香环结构的小分子或高分子为光电转换材料的太阳能电池，具有制作也比较容易、柔性好等特点。
有机太阳能电池的效率虽然还有待提高，但研究人员已经通过改进材料的分子结构和掺杂等手段来提高效率，有望成为未来的新型太阳能发电材料。
2.氢能源材料氢能源是一种清洁、高效的新能源，氢气是氢能源的主要载体。
目前氢气的生产主要通过水解法、热解法和电解法等来实现。
然而，氢气的生产需要耗费大量能源，且还存在运输和储存技术等方面的问题。
因此，研究新型氢能源材料成为了解决氢能源问题的重要途径。
金属氢化物是一种利用金属和氢之间的化学反应来储存氢气的材料，具有储氢量大、密度高等特点，是当前研究的热点之一。
如TiFe、ZrV、Mg-Ni等金属氢化物材料，已经具有较高的储氢容量和储氢速率。
另外，碳基材料也是近年来研究的热点，如以碳纳米管为基底的储氢材料，不仅储氢容量大，而且纳米管孔径大小可以调控，可以提高储氢效率。
二、新型能源器件的研究进展1.锂离子电池锂离子电池是目前市场上使用最为广泛的电池，是手机、笔记本电脑和电动汽车等先进设备的重要能源来源，但锂离子电池的安全性和寿命等问题仍需解决。
薄膜太阳能电池研究综述
薄膜太阳能电池研究的现状及前景综述摘要：介绍了薄膜太阳能电池在光伏产业中的地位，并分别概述CIGS CdTe 多晶硅非晶硅染料敏化等薄膜太阳能电池的研究现状及前景。
通过分析这几种薄膜太阳能电池发展现状及各自的特点，找出有待解决的问题，展望薄膜太阳能电池研究的前景。
关键词：薄膜太阳能电池CIGS CdTe 多晶硅非晶硅染料敏化1.引言太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、水能等都来源于太阳能。
太阳能电池是是一种通过光伏效应将太阳能转变为电能的一种装置，是利用太阳能的一种重要形式。
目前，人们根据所选用的半导体材料将太阳能电池应用技术分为晶硅和薄膜两大类。
晶硅太阳能电池在现阶段的大规模应用和工业生产中占据主导地位，但由于其成本过高，限制了其发展。
相比晶硅等其它太阳能电池，薄膜太阳能电池具有生产成本低、原材料消耗少、弱光性能优良等优势。
随着世界能源紧缺，薄膜太阳能电池作为一种光电功能薄膜，可以有效地解决能源短缺问题，而且无污染，还可以实现光伏建筑一体化，易于大面积推广。
本文主要综述CIGS、CdTe、多晶硅、非晶硅、染料敏化和有机薄膜太阳能电池等的研究现状及前景。
2.CIGS薄膜太阳能电池铜铟镓硒薄膜太阳能电池是20世纪80年代后期开发出来的新型太阳能电池,典型结构为如下的多层膜结构!金属栅/减反膜/透明电极/窗口层/过渡层/光吸收层/背电极/玻璃。
铜铟镓硒薄膜太阳能电池是第三代太阳能电池的首选,并且是单位重量输出功率最高的太阳能电池。
所谓第三代太阳能电池就是高效/低成本/可大规模工业化生产的铜铟镓硒(CIGS)等化合物薄膜太阳能电池。
CIGS具有非常优良的抗干扰、耐辐射能力，因而没有光辐射引致性能衰退效应，使用寿命长。
CIGS是直接带隙的半导体材料，因此电池中所需的CIGS薄膜厚度很小(一般在2um左右)。
它的吸收系数非常高达10-5cm-1，同时还具有很好的非常大范围的太阳光谱的响应特性。
薄膜技术在光电器件制备中的应用研究
薄膜技术在光电器件制备中的应用研究在光电器件制备中，薄膜技术被广泛应用，并且逐渐成为光电器件制备的主要方法之一。
薄膜技术可以通过在基片表面制备各种不同材料的薄膜，从而实现对光电器件性能的调控和优化。
本文将探讨薄膜技术在光电器件制备中的应用研究，并重点介绍薄膜技术在太阳能电池、光电二极管和薄膜晶体管等器件中的应用。
太阳能电池是当前可再生能源领域的热点研究方向之一。
薄膜技术在太阳能电池的制备中具有重要作用。
其中，薄膜光伏技术可以通过制备不同材料的薄膜层，提高光电转换效率。
例如，硅薄膜太阳能电池利用非晶硅或微晶硅薄膜作为光电转换层，以提高太阳能电池的光吸收能力和电池效率。
此外，新型的薄膜太阳能电池如染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池，也在薄膜技术的支持下取得了显著进展。
另一个光电器件中广泛应用薄膜技术的领域是光电二极管。
光电二极管可以通过控制材料和薄膜层的制备以及结构的设计，实现不同波长的光电转换。
例如，有机光电二极管利用有机分子材料制备薄膜层，具有低成本、柔性可弯曲等优点。
同时，使用不同的有机材料可以实现对光电二极管的光电性能进行调控。
此外，利用非晶硅或其他半导体材料制备的光电二极管也被广泛应用于显示技术、光通信等领域。
除此之外，薄膜技术在薄膜晶体管的制备中也发挥着重要的作用。
薄膜晶体管具有高场效应迁移率和快速开关速度等优点，可以应用于平面显示、光电传感器等领域。
其中，低温多晶硅薄膜晶体管（LTPS TFT）是一种非常有前景的技术。
其利用薄膜技术制备出高度晶化的低温多晶硅薄膜，从而实现了高效的电子输运性能和较快的晶体管开关速度。
光电器件制备中的薄膜技术不仅可以改善器件的光学性能和电学性能，还可以提高器件的热稳定性和可靠性。
此外，薄膜技术还可以实现对光电器件的结构和形态的调控，比如制备纳米级别的薄膜，实现对光学和电学性能的进一步优化。
例如，通过调控薄膜的厚度、材料、晶格结构等参数，可以实现对材料带隙、折射率和导电性等特性的调整。
有机太阳能电池空穴传输材料的研究进展
有机太阳能电池空穴传输材料的研究进展袁峰;周丹;谌烈;徐海涛;陈义旺【摘要】有机太阳能电池是新一代固态薄膜电池,报道的能量转化效率已接近15％,成为可再生能源领域的研究热点.空穴传输材料是构成有机太阳能电池的重要组成部分,对有机太阳能电池的能量转换效率和稳定性有重要影响.目前应用于有机太阳能电池的空穴传输材料分为无机空穴传输材料和有机空穴传输材料两大类.无机空穴传输材料的可选择范围较窄,电池加工工艺相对苛刻.开发各类能级匹配、空穴迁移率高的有机空穴传输材料是提高有机太阳能电池能量转换效率和稳定性的有效手段,是目前的开发重点.本文主要综述了有机空穴传输材料分子结构对有机太阳能电池能量转换效率、填充因子、开路电压、短路电流和稳定性的影响,并对其能级、空穴迁移率、添加剂的使用等进行了讨论.最后详细论述了有机空穴传输材料未来的研究重点和发展趋势.【期刊名称】《功能高分子学报》【年(卷),期】2018(031)006【总页数】10页(P530-539)【关键词】有机太阳能电池;空穴传输材料;能级;能量转换效率【作者】袁峰;周丹;谌烈;徐海涛;陈义旺【作者单位】南昌航空大学材料科学与工程学院 ,南昌330063;南昌航空大学材料科学与工程学院 ,南昌330063;南昌大学化学学院 ,南昌330031;南昌航空大学材料科学与工程学院 ,南昌330063;南昌大学化学学院 ,南昌330031;南昌大学化学学院 ,南昌330031【正文语种】中文【中图分类】O631能源和环境问题是当前人类面临的两个最紧迫问题，低碳经济是当今最热门的话题。
太阳能是取之不尽、用之不竭的绿色能源，将太阳能转换成电能的太阳能电池是解决能源和环境问题、发展低碳经济的途径之一。
目前研究和开发的太阳能电池有：单晶硅、多晶硅、碲化镉和铜铟镓硒薄膜半导体、有机太阳能电池等。
前几种无机太阳能电池已经实现了商品化，能量转换效率介于22%～31%，但其缺点是电池制备成本高、原材料生产过程能耗高、污染重，这大大限制了其推广应用。
薄膜太阳能电池的制备及应用研究
薄膜太阳能电池的制备及应用研究在日益紧张的能源短缺背景下，太阳能电池作为一种清洁绿色的新型能源，备受关注。
与传统的硅晶太阳能电池相比，薄膜太阳能电池具有更高的光电转换效率和更大的灵活性，逐渐成为研究的热点之一。
本文将介绍薄膜太阳能电池制备及其应用研究的进展和趋势。
一、薄膜太阳能电池制备技术薄膜太阳能电池主要由多层薄膜堆积结构组成，其中光吸收层、电荷分离层和电子传输层等是实现高效能量转换的关键部分。
目前，主要的薄膜太阳能电池有非晶硅、染料敏化型（DSSC）、有机太阳能电池（OSC）和钙钛矿太阳能电池（PSC）等。
（一）非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池是最早被研究和应用的一种薄膜太阳能电池。
其基本结构是由玻璃基板、导电层、p-i-n结构薄膜和金属电极组成。
非晶硅薄膜由于具有高的光吸收系数和高的载流子迁移率，因此具有较高的光电转换效率。
但是其低稳定性和性能退化等问题限制了其应用。
（二）染料敏化型太阳能电池染料敏化型太阳能电池常用的是钛酸盐作为阳极材料，以染料分子为光吸收层进行光电转换。
其基本结构是由导电玻璃、导电链、暴露于染料敏化电解液中的TiO2纳米晶、染料分子和反电极组成。
染料敏化型太阳能电池具有较高的光电转换效率和较低的成本，但是其稳定性仍存在问题，需要进一步改进和优化。
（三）有机太阳能电池有机太阳能电池以有机分子或聚合物为光吸收层，光生载流子的传输过程中利用电子与空穴的相互作用进行光电转换。
其优点是重量轻、柔性好、性能可调，但是其效率仍需要提高和稳定性也需要解决。
（四）钙钛矿太阳能电池钙钛矿太阳能电池是近年发展起来的一类新型太阳能电池。
其光吸收层为有机-无机钙钛矿晶体，具有高的光吸收系数和光电转换效率，已经成为应用研究的热点。
此外，钙钛矿太阳能电池具有可调性强、制备工艺简单等优点。
二、薄膜太阳能电池应用研究随着薄膜太阳能电池制备技术的不断发展，其应用领域也逐渐扩大。
目前，薄膜太阳能电池主要应用于移动电源、灵活显示屏、无线传感器等领域，未来还将有更广泛的应用前景。
基于柔性基底异质结有机薄膜的光伏器件
能 ［］ ４ 。聚合物 太 阳能 电池 因为 具有 原料 来源 广泛 、 价格 相对 低 廉 、 产工 艺 简 单 、 以大 面 积制 备 等 优点 ， 生 可 ］
如果 能在 性 能上 取得 进一 步 的突破 ， 其能 量转 换效 率提 高 到接近 商 品化 的无机 材料 太 阳能 电池 的水 平 ， 将 将有 可 能大规 模 广泛应 用 ， 市场 前景 十分 巨大 。柔 性太 阳能 电池 ， 其 是第 二 代 薄膜 太 阳能 电池 的一 个 重要 类 型 ， 卷 对卷 工艺 具 有鲜 明 的成本 优势 。其 衬底 是 塑料 片或者 金 属 箔 片 ， 别 于 其他 玻 璃 衬底 的薄 膜太 阳能 电池 ］ 有 。 特点 是重 量 轻 、 可弯 曲 ， 合集 成在 各种 弯 曲物体 表 面口 ］ 适 。 １ 实 验 本 实验 器件 制备 的基 板采 用镍 钴合 金材 料 ， 由于氧化 铟锡 （ＴＯ） 电玻 璃 表 面粗 糙 度 等对 于 器 件性 能 的 Ｉ 导 影 响很大 ， 在实 验前 需严 格按 照 步骤 清洗基 片 。为 得 到 较 为满 意 的 Ｉ 清 洁效 果 ， 次 用洗 涤 剂 、 酮 、 故 ＴＯ 依 丙 去
聚苯 乙烯 磺 酸盐 （ Ｅ Ｐ ＤＯＴ： Ｓ ） Ｉ Ｐ Ｓ 在 ＴＯ 上 的成 膜 性 。试 验 中 ， 甩 胶 方 法 将 Ｐ Ｄ０Ｔ： Ｓ 用 Ｅ Ｐ Ｓ旋 涂 在 Ｉ ＴＯ 玻 璃 上， 转速 为 ２０ ０ｒｍｉ ， 度约 为 ２ ｍ； 。 压强 １ ８ Ｏ ０ ／ ｎ 厚 Ｏｎ Ｃ 。 在 ． ×１ ～１ ５ ０ “ ａ 温度 ２ ８ ２ ５℃条件 下蒸镀 ， ． ×１ ＿ Ｐ 、 ６ ９
共 轭导 电高 分子 材料 由于兼有 聚 合物 的可 加工性 和 柔 韧性 以及 无 机 半导 体 特性 或 金 属导 电性 ， 而具 有 因 巨大 的潜 在 商业 应用 价值 口 ］ 。近年 来 ， 电 聚合 物 的快 速 发 展 使得 研 究 开 发 低 成本 有 机 太 阳能 电池 成 为 可 导
Cu2ZnSn(S,Se)4薄膜太阳能电池的研究进展
Cu2ZnSn(S,Se)4薄膜太阳能电池的研究进展王艳玲;郭洪玲;王刚;李岳姝;王艳梅【摘要】锌黄锡矿结构的Cu2ZnSn(S,Se)4(CZTSSe)材料,由于具有价格低廉、带隙合适、吸光系数高等优良光电性能,很适合作为新一代无机薄膜太阳能电池的吸光层材料,已受到各国科研人员的高度关注.国内外采用多种沉积薄膜技术来制备CZTSSe吸光层材料,主要包括真空和非真空方法.综述了最近CZTSSe太阳能电池制备技术所取得的一些进展,尤其对采用溶液法制备CZTSSe太阳能电池的发展现状做了重点阐述.展望了CZTSSe太阳能电池的发展趋势.%The kesterite-structured semiconductors Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) have gained much attention as a promising absorber materials for next generation thin film solar cells due to its low material cost,suitable band gaps and high absorption coefficient.Numerous deposition approaches are reported to fabricate CZTSSe absorber layers,which mainly include vacuum and non-vacuum processes.The recent progress of different techniques of fabricating CZTSSe solar cells is summarized in details.The solution-based deposition route to prepare CZTSSe nanocrystal thin films is highlighted specially.In addition,the research trends of CZTSSe solar cells are prospected.【期刊名称】《电子元件与材料》【年(卷),期】2017(036)006【总页数】7页(P1-7)【关键词】CZTSSe;锌黄锡矿;综述;薄膜太阳能电池;吸光层;溶液法;真空法【作者】王艳玲;郭洪玲;王刚;李岳姝;王艳梅【作者单位】黑龙江工业学院环境工程系,黑龙江鸡西 158100;黑龙江工业学院环境工程系,黑龙江鸡西 158100;中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室,吉林长春130022;黑龙江工业学院环境工程系,黑龙江鸡西 158100;黑龙江工业学院环境工程系,黑龙江鸡西 158100【正文语种】中文【中图分类】TM914.4面对全球的能源危机和环境问题日益凸显，各国科研人员开始致力于研发可以替代传统能源的新型能源补给方式。
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中国科学B辑:化学 2008年 第38卷 第11期: 957~975 《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS基于有机薄膜的太阳能电池材料与器件研究进展密保秀, 高志强, 邓先宇, 黄维*南京邮电大学信息材料与纳米技术研究院, 江苏省有机电子与平板显示重点实验室, 南京 210003* 联系人, E-mail: wei-huang@收稿日期：2008-04-30; 接受日期：2008-10-10国家自然科学基金(批准号：20774043, 90406021)、江苏省高校自然科学基础研究基金(批准号：08KJB430011)和南京邮电大学攀登计划(批准号：NY207013, NY207162)资助项目摘要近年来, 有机薄膜太阳能电池的研究得到突飞猛进的发展, 其功率转换效率从很困难达到3%, 普遍地提高到3%~5%, 且根据模拟预测有希望达到10%. 显然, 这是新材料和新器件结构的涌出以及器件机理研究深入的共同结果. 本文介绍有机薄膜太阳能电池的的结构及工作原理, 讨论材料结构与器件性能的关系, 综述近年来材料与器件结构等方面的进展. 关键词光伏太阳能电池有机薄膜电池结构1引言太阳能电池是将光能(太阳光能)转换为电能的器件, 是一种光伏器件, 于1954年在贝尔实验室首次发现[1,2]. 开始的研究主要集中于以单晶硅为活性材料的无机太阳能电池, 当时贝尔实验室报道的器件效率为4%. 无机太阳能电池通常是基于p-n结结构：p区存在过剩空穴, n区存在过剩电子, 在p-n结附近, 由于p型和n型的突变而形成内建电场. 材料吸收光后产生的电子空穴对, 通过扩散, 达到p-n结界面, 在内建电场作用下分开, 并分别向2个电极移动, 形成光伏. 20世纪90年代无机太阳能电池家族中又发展了砷化镓、碲化镉以及叠层GaInP/GaAs/Ge等器件, 它们由单晶、多晶或者非晶薄膜构成. 尽管目前无机太阳能电池总能量转化效率达到了25%以上[3], 但是, 昂贵的成本及窄带隙半导体的严重光腐蚀限制了无机太阳能电池的实际应用. 降低成本是这一领域的主要课题之一：人们一方面发展可降低成本的非晶薄膜加工技术, 另一方面也在研究较为廉价的半导体材料如碲化镉等.1991年,较低成本的染料敏化二氧化钛太阳能电池[4,5]出现,其转换效率可达到10%左右. 但是该类电池需要液体电解液, 阻碍了其实际应用.最为廉价和有吸引力的太阳能电池材料非有机物莫属：一方面由于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; 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, 器件制作成本也较低. 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. 因而有望在手表、便携式计算器、半透光式充电器、玩具、柔性可卷曲系统等体系中发挥供电作用.有机太阳能电池的研究始于1959年, 其结构为单晶蒽夹在2个电极之间[6], 器件的开路电压为200 mV, 由于激子的解离效率太低使得转换效率极低. 这方面研究的重大突破是邓青云博士于1986年报道的双层结构染料光伏器件[7]. 器件以酞菁衍生物作为p型半导体, 以四羧基苝的衍生物作为n型半导体, 形成双层异质结结构, 功率转换效率(ηp)约为1%. 该957密保秀等: 基于有机薄膜的太阳能电池材料与器件研究进展研究首次将电子给体(p型)/电子受体(n型)有机双层异质结的概念引入, 并解释了光伏效率高的原因是由于光致激子在双层异质结界面的光诱导解离效率较高. 1992年, 研究发现用共轭聚合物作为电子给体(Donor, 简写D)和C60作为电子受体(Acceptor, 简写A)[8~12]的体系, 在光诱导下可发生快速电荷转移且该过程的速率远远大于其逆向过程. 原因是C60表面是一个很大的共轭系统, 其电子在由60个碳原子组成的分子轨道上离域, 因此可以稳定外来电子. 这一发现, 使聚合物太阳能电池的研究成为新的热点. 继而发展的以聚合物MEH-PPV做给体、C60衍生物PCBM 作为受体的共混材料制备的本体异质结器件, 由于无处不在的纳米尺度的界面大大增加了异质结面积, 激子解离效率提高, 使ηp进一步提高, 到达2.9%[13].在过去的30年里, 人类投入巨大的精力来研究有机太阳能电池, 双层异质结器件[14~17]、本体异质结器件[13,18~22]、混合蒸镀的小分子器件[23,24]以及有机/无机杂化器件[25,26]的研究都有了长足的进展. 研究显示, 有机太阳能电池的ηp在实验室中已经达到5%[27~29], 6.1%的器件已见报道[30], 而经过改进器件结构, ηp有望达到10%[27]. 根据模拟预测, 当器件的能级结构、材料的光隙及迁移率都处于同时优化的器件中, 本体异质结聚合物/富勒烯太阳能电池的ηp可到达11%[31], 级联器件的ηp可达16%[32]. 科研工作者们通过创新材料、优化结构以及完善理论等方面的研究, 正朝着这个目标前进.本综述主要从器件结构和材料创新角度, 回顾和总结有机太阳能电池的研究进展, 强调器件机理和功能材料设计的基本概念和最新发展. 作为进一步的参考, 读者可阅读近年的一些综述：聚合物有机太阳能电池[33~35], 小分子和寡聚物有机太阳能电池[36~38].2器件结构及其工作原理有机太阳能电池的结构, 由单层Schottky器件开始, 相继发展了双层异质结、本体异质结、分子D-A 结, 以及基于以上单元结构的级联器件等. 除了要求活性材料有较高的太阳光谱吸收能力, 有机光伏器件中激子解离是提高器件效率的最重要因素. 与无机光伏器件吸收光后产生自由电子空穴对不同, 有机材料在吸收光后, 产生流动的激发态(即束缚电子空穴对). 由于激子中电子空穴对之间库仑作用较大, 同时有机物介电常数较小, 使激子解离需要的能量高于热能kT[39,40], 因此, 有机材料激子解离困难,不易形成自由载流子. 不同的器件结构中, 激子解离的机制有所不同.2.1单层Schottky器件如图1(a) 所示为单层太阳能电池结构, 只有一层同质单一极性的有机半导体材料内嵌于两个电极之间. 图1(b)是器件的能级示意图, 其中的HOMO是材料的最高占据轨道, LUMO是材料的最低空置轨道. 有机分子吸收光产生激子后, 电子占据较高能级的π*轨道(LUMO), 而与之相关联的空穴占据较低能级的π轨道(HOMO), 如图1(b)所示. 由于两个电极功函数的不同, 传输空穴的π轨道能级与具有较低功函数的电极之间将形成Schottky势垒(见图1, 能带弯曲W区域), 即内建电场. 这是有机单层光伏器件电荷分离的驱动力：只有扩散到Schottky势附近的激子, 才有机会被解离[41,42]. 然而, 有机物中激子扩散长度一般都小于20 nm且Schottky势的范围W在电极与材料接触界面处仅几个纳米厚, 因此只有极少一部分激子能够到达电极附近, 被解离, 最终产生电流. 单层器件的光电转换效率极低, 电流是激子扩散限制型的. 这种器件可以作为光检测器, 因为在较强的外电场作用下, 光照产生的电荷可迁移到电极, 产生电流.图1 单层器件工作原理(a)器件结构; (b)能级示意图2.2双层异质结器件在双层光伏器件中, 给体和受体有机材料分层排列于两个电极之间, 形成平面型D-A界面. 其中,958中国科学B辑: 化学 2008年第38卷第11期阳极功函数要与给体HOMO能级匹配; 阴极功函数要与受体LUMO能级匹配, 这样有利于电荷收集. 双层器件的原理见图2, 图中忽略所有由于能级排列而产生的能带弯曲和其他界面效应.图2 双层异质结器件工作原理(a)器件结构; (b)能级示意图在双层异质结器件中, 光子转换成电子有以下几个步骤：(1) 材料吸收光子产生激子：当入射光的能量大于活性物质的能隙时(Eg), 活性物质吸收光子而形成激子; (2) 激子扩散至异质结处; (3) 电荷分离：激子在异质结附近被分成了自由的空穴(在给体上)和自由的电子(在受体上), 它们是体系中主要的载流子, 具有较长的寿命; (4) 电荷传输以及电荷引出：分离出来的自由电荷, 经过传输到达相应的电极, 进而被收集和引出[38,43].双层异质结器件中电荷分离的驱动力是给体和受体的最低空置轨道(LUMO)能级差[44], 即给体和受体界面处电子势垒. 在界面处, 如果势垒较大(大于激子的结合能), 激子的解离就较为有利：电子会转移到有较大电子亲和能的材料上.与单层器件相比, 双层器件的最大优点是同时提供了电子和空穴传输的材料. 当激子在D-A界面产生电荷转移后, 电子在n型受体材料中传输, 而空穴则在p型给体材料中传输. 因此电荷分离效率较高, 自由电荷重新复合的机会也降低.2.3本体异质结器件在本体异质结器件中, 给体和受体在整个活性层范围内充分混合, D-A界面分布于整个活性层. 本体异质结可通过将含有给体和受体材料的混合溶液以旋涂的方式制备, 也可通过共同蒸镀的方式获得, 还可以通过热处理的方式将真空蒸镀的平面型双层薄膜转换为本体异质结结构.本体异质结器件原理见图3, 图中忽略所有由于能级排列而产生的能带弯曲和其他界面效应. 本体异质结器件与双层异质结器件相似, 都是利用D-A界面效应来转移电荷. 它们的主要区别在于：(1) 本体异质结中的电荷分离产生于整个活性层, 而双层异质结中电荷分离只发生在界面处的空间电荷区域(几个纳米), 因此本体异质结器件中激子解离效率较高, 激子复合几率降低, 缘于有机物激子扩散长度小而导致的能量损失可以减少或避免; (2) 由于界面存在于整个活性层, 本体异质结器件中载流子向电极传输主要是通过粒子之间的渗滤(percolation)作用, 而双层异质结器件中载流子传输介质是连续空间分布的给体或受体, 因此双层异质结器件中载流子传输效率相对地高. 而本体异质结器件由于载流子传输特性所限, 对材料的形貌、颗粒的大小较为敏感, 且填充因子相应地小[45].图3 本体异质结器件工作原理(a) 器件结构; (b) 混合在一起的给体(白色)和受体(黑色)空间分布示意图; (c) 本体异质结器件能级示意图2.4分子D-A结器件将具有电子给体性质的单元以共价键方式连接到受体聚合物或者小分子上, 形成分子D-A结材料, 即同质双极材料. 以这种材料为活性层制作的单层959密保秀等: 基于有机薄膜的太阳能电池材料与器件研究进展器件, 为单层分子D-A结器件, 如图4所示.图4 分子D-A结器件D代表给体基团, A代表受体基团与单层Schottky器件的激子解离机制不同, 分子D-A结器件中激子解离的动力来源于光诱导下分子内由于给体和受体的同时存在而产生的化学势梯度. 该化学势梯度, 主要取决于分子内D基团与A基团的链接模式, 它不但促进分子内激子解离, 同时驱动电荷的迁移[46]. 而D与A的连接模式, 与它们各自的电子结构特性有关, 也受A与D之间的距离、比例、相对空间位置等影响. 借鉴无机半导体概念, 给体D或受体A通常具有p-型或n-型半导体特性, 因此在有机半导体中, D或者A通常也称作p-型或n-型有机半导体. 在这方面, 我们提出的p-n共嵌概念对控制分子D-A 材料的HOMO和LUMO能级、调节给体和受体之间的界面以及关联材料的膜形态与器件性能有很重要的指导作用[47~49].理想状态下, D-A结器件在分子内产生激子解离, 可从根本上避免给体和受体材料之间的相分离, 以及由于给体或受体分子的聚集现象而导致的电荷分离效率降低的问题. 但是, 与相应的本体异质结器件相比, 在D-A分子内伴随着光诱导电荷转移的发生, 电荷复合几率也得到增强. 因为分别分布在D单元和A单元的电荷需要通过链间的跃进来防止复合, 这个过程相对于链内的复合显然要困难些. 材料中光诱导电荷转移与能量转移的竞争可进一步降低D-A结器件的效率[50~52].研究者根据D-A结分子的概念, 提出更进一步的“双轴”材料的设想, 即从分子水平上控制材料的排列, 将具有线性结构的D-A聚合物或者寡聚物以有序方式排列, 使得材料中的D单元与A单元分别排列在一起, 形成A结构单元和D结构单元. 这样, 电子可以沿A结构单元输运, 而空穴可以沿D结构移动, 如图5所示[53]. 可以预计, “双轴”材料可以大大提高激子的解离和电荷的输运效率.图5 D-A结分子以有序方式排列形成的“双轴”材料2.5级联结构器件级联电池是一种串联的叠层电池, 是将两个或以上的器件单元以串接的方式做成一个器件, 以便最大限度地吸收太阳光谱, 提高电池的开路电压和效率. 众所周知, 材料的吸收范围有限, 而太阳光谱的能量分布很宽, 单一材料只能吸收部分太阳光谱能量. 另外, 由于电池中未被吸收的太阳能量可使材料产生热效应, 使电池性能退化. 级联电池可利用不同材料的不同吸收范围, 增加对太阳光谱的吸收, 提高效率和减少退化. 级联电池的基本结构如图6所示, 一般地器件单元按活性材料能隙不同采取从大到小的顺序从外向背电极串联, 即与电池非辐射面(背面)最近的结构单元, 其活性材料的能隙最小[54]. 由于串联的缘故, 级联电池的开路电压一般大于子图6 两个子电池组成的级联器件结构示意图单元结构的(理想情况下, 总的开路电压等于各个子960中国科学 B 辑: 化学 2008年 第38卷 第11期单元开路电压之和[55]), 其转换效率主要受光生电流的限制. 因此, 级联电池设计的关键是合理地选择各子电池的能隙宽度和厚度, 并保证各个子电池之间的欧姆接触, 以达到高转换效率的目的.2007年Science 报道了一个采用窄能隙结构单元作为第一层的级联器件[55]. 器件最大的特色是在两个子电池单元之间使用以溶胶方法制备的透明TiO x 作为连接层. 该工作报道的结果是目前有机太阳能电池的最好水平之一(AM1.5辐照)：短路电流J sc = 7.8 mA ⋅cm −2, 开路电压V oc = 1.24 V , 填充因子FF = 0.67, 功率效率ηp = 6.5%.2.6 器件结构的界面修饰太阳能电池的性能可通过电极修饰或其他界面修饰得到不同程度的改善.电极修饰的目的, 通常是使其功函数与给体材料的HOMO 或受体材料的LUMO 相匹配, 以提高电荷引出效率[56]和阻挡激子和非收集载流子的传输[15,57,58]. 普通ITO 阳极可用氧等离子体处理[59,60], 又可在其上旋涂PEDOT: PSS {poly (3,4-ethylene- dioxythiophene): poly(styrenesulfonate)}[56], 也可进行自组装单分子层修饰[61]、以及过渡金属氧化物薄膜修 饰[62]. 本组的Ling 等将金纳米粒子修饰于ITO 表面后, 制备有机太阳能电池. 由于修饰后的ITO 电极具有高导电性和透光性、其功函数与给体材料HOMO 更加匹配以及电极表面更加平整, 使得空穴载流子的收集效率大大提高, 器件的性能得到提高[63]. 较为普遍的阴极修饰是金属氟化物[64], 其他的修饰材料包括TiO x [65]、BCP (bathocproine [66])、Alq {tris (8-hydroxy-quinolinato) aluminum}[67]、PEO {poly ethylene oxdide,[68]} 等.界面修饰的一个例子是在器件中引入光隔离层, 如图7所示, 在电池的活性材料层与背电极之间插入光隔离层, 能够将光的空间分布与活性层的位置相匹配, 增加光的吸收, 有助于提高器件的光电流[27,69]. Lee 等人报道, 以溶液方法制备的TiOx 光隔离层应用于聚合物器件中, 可得到很好的效果. 在AM1.5光照下, I sc 、V oc 、FF 、ηp 分别由原来的7.5 mA ⋅cm −2、0.51 V 、0.54、2.3%增加至11.1 mA ⋅cm −2、0.61 V 、0.66、图7 含有光隔离层的有机太阳能器件结构5%[27].3 光伏活性材料在有机太阳能电池中, 决定光电转换效率首要三个因素是材料对太阳光谱的吸收、激子解离和自由电荷的传输. 因此, 在活性材料的设计和选择时要兼顾这些特点, 才能获得高性能的电池器件.3.1 有机材料的光吸收通常地, 有机材料具有光吸收能力强、吸收光谱窄、材料能隙随共轭长度的增大而减小的特点. 如图8所示, 将太阳光AM1.5辐射光谱与不同能隙材料对太阳光的最大吸收曲线进行比较, 可知窄能隙材料(吸收峰大于600 nm)有利于太阳能的吸收. 有机材料的吸收一般在可见光区域, 因此大部分材料对太阳的吸收利用不超过40%, 这是有机太阳能电池转换效率比无机太阳能电池低的原因之一. 加之由于有机材料迁移率太小, 限制了有机光伏器件活性层的厚度在几百纳米左右, 使光吸收能力进一步减少.图8 不同吸收波长的材料对太阳AM1.5的最大吸收比例(-•-), 实线为太阳AM1.5的辐射光谱961密保秀等: 基于有机薄膜的太阳能电池材料与器件研究进展因此提高活性材料的摩尔吸收系数、降低能隙和使材料有较宽的吸收光谱是提高材料对太阳光吸收的有效方案, 这方面的工作有大量的报道[70~73]. 我们设计合成出基于芴基的低能隙共聚物, 将其作为给体制备器件, 得到很好的性能(ηp = 2.2%)[74]. Wong等报道, 在具有D-A结构的材料中引入多电子铂原子, 可增强材料的D-A相互作用, 导致较强的电荷转移态(CT)跃迁, 因此材料能隙较低, 有利于提高器件的光伏效应(ηp = 2.5%)[75]. Tian等人的工作也证明了当以具有强烈给体-受体结构的分子作为给体的本体异质结器件可获得相对高的效率[76]. 我们将具有电子受体特性的silole分子中引入了具有电子给体特性的咔唑基后形成的给体-受体型分子表现出光伏特性, 首次表明具有σ*-π*共轭特性的Silole衍生物在太阳能电池材料方面有一定的潜力[77].针对提高太阳光谱的吸收问题, 除了通过分子结构的功能设计来提高活性材料自身吸收外, 还可以在器件结构中引入具有强吸收特性的材料. 利用它们吸收部分太阳能量, 通过激子扩散将其转移给活性材料, 在活性材料上发生激子解离过程产生电流[78~80].3.2有机材料的载流子输运有机太阳能电池的短路电流较低的原因, 在很大的程度上是由于材料载流子传输能力较低所引致的光电流损失[81]. 由于有机材料中如氧等陷阱普遍存在, 迁移率一般低于10−4 cm2⋅V−1⋅S−1[26]. 载流子迁移率低, 电荷向电极输运时由于复合导致的电流损失大. 因此设计具有高迁移率的活性材料是提高有机太阳能电池性能的另一条途径. 另外, 在活性材料中掺入载流子输运能力高的纳米材料也可提高器件效率. 例如双层碳纳米管对有机材料的掺杂可以增加空穴传输能力, 从而提高器件的性能[82]; 在基于P3OT:C60的本体异质结器件中掺杂金或银纳米粒子, 由于提高了导电率, 器件的效率可增加50%~ 70%[83].3.3 有机光伏活性材料介绍异质结界面处的光诱导电荷转移, 是有机太阳能电池工作的主要机制. 为了形成具有电荷分离作用的异质结, 材料体系的选择非常重要. 基本的要求是给体具有较强的给出电子能力, 受体具有较强的接受电子能量, 且给体与受体的能级要匹配. 本节主要总结有机太阳能电池材料的最新进展.3.3.1C60及其衍生物富勒烯(即C60)是由60个碳原子组成的球状分子. 一个C60分子, 利用电化学方法, 最多可以被6个电子还原[84]. 缘于球状共轭结构所产生的特殊能级结构, C60具有非常好的光诱导电荷转移特性. 即C60分子中轨道与自旋的耦合常数大, 单线态与三线态的能级相差很小(E ST = 0.15 eV[85]), 因此电子由单线态到三线态的系间窜越(ISC)速率快(τISC = 650 ps[86,87]), 同时ISC过程的效率也很高(96%[87]). 因此, 在给体和C60的界面, 被C60接受的电子可以快速高效地由单线态转移到三线态, 防止了电子再由C60分子回到给体的逆过程, 从而提高了电荷转移效率(接近100%[8]). 同时, 由于三线态具有较长的寿命(大于1 μs), 使基于C60的太阳能电池中电子扩散长度较长(80~140 Å[88]), 有利于电荷传输和收集[13,18], 从而可提高电荷引出效率. 图9为有机太阳能电池中一些C60及其衍生物的结构.图9 有机太阳能电池中一些C60及其衍生物的结构当在C60球体中央再加入一个六角圆环, 可形成C70, 形状与一个英式橄榄球类似. C70与C60一样, 都是很好的电子受体. 它们既可以与小分子匹配(包括酞菁及其衍生物和噻吩寡聚物等), 也可以与共轭962中国科学B辑: 化学 2008年第38卷第11期聚合物匹配(包括聚噻吩和聚对苯乙烯撑衍生物等), 形成电池的活性层. 虽然C60较小的溶解性限制了它在以溶液方式加工的聚合物太阳能器件中的应用, 但它在真空中可以稳定地蒸镀, 可用来制备双层异质结器件. 经过改良的C60, PCBM ([6,6]-phenyl C61-butyric acid methyl ester) 具有较好的溶解性[89], 被广泛地应用于聚合物器件中. 除PCBM外, 图9中的材料1是见诸报道的另一种具有高溶解性的C60类化合物, 基于该材料的器件ηp高达4.5%[90]. 我们对C60进行了修饰, 得到一系列包括PCBM在内的衍生物(PCBM, PCBB等), 以它们为受体, MEH-PPV为给体, 进行了太阳能电池的研究. 结果显示, 新材料的溶解性可随分子中烷基链长的增加而提高, 其中PCBB具有比PCBM优越的光敏特性, 得到的器件性能较好[91]. 将PCBM中的苯基以噻吩基取代得到ThCBM材料, 该材料具有与PCBM类似的电子输运特性, 基于该材料的本体异质结太阳能电池器件ηp 可达3.0%[92]. 值得注意的是, 材料C60及其衍生物在可见-近红外区的光吸收很小, 以它们为受体材料设计器件时, 应选取材料吸收性能较强的给体材料, 或以其他的方法提高对太阳光的吸收.3.3.2噻吩类材料噻吩类材料是有机太阳能电池中广泛研究的给体材料, 包括聚合物[27,55,70,93,94]、小分子[95]、寡聚物[96~98]以及含有过渡金属的聚合物[75]等. 噻吩材料作为给体, C60或者衍生物作为受体是目前最好的有机太阳能电池体系, 有大量的研究工作[93,94,97,99], 目前光电转换效率最好的有机太阳能器件是由噻吩类给体与C60及其衍生物受体构成的体系, 见表 1. 除了C60及其衍生物, 噻吩类材料作为给体(图10), 通常还会与PDCDA[96]、MEH-CN-PPV[17]、PV[100]等其他受体构成活性材料体系; 也与无机材料构成有/机无机杂化活性材料体系[26,82,101~103].噻吩类材料最大的特点是可以通过“头尾”连接形成有序性薄膜, 从而具有较高的迁移率. Yang 等人验证当活性层薄膜的生长速度很慢时, 器件效率可较高(ηp=4.4%)[81]. 这是由于聚3-烷基噻吩(P3HT)的链状结构, 倾向于通过链之间的堆叠形成自组织的二维薄膜. 生长速度慢时, 自组织程度高, 薄膜迁图10 作为给体的噻吩类太阳能电池材料移率高. 另外, 热处理可以改善含噻吩类活性材料的薄膜形貌和增加结晶度等, 使ηp提高到5%[94]和 6.1%[30]. 溶剂对噻吩薄膜性能也有一定的影响[104,105]. 当噻吩类材料由线性变为枝化结构时, 膜的有序性降低导致导电性降低, 所构成太阳能电池器件的效率大大降低[106].Liu等的研究发现, 含末端烯烃的噻吩小分子(图10, V n T)与苝衍生物PTCDA制备双层异质结器件时, 表现出很高的开路电压(2.07 V)[96]. 文中认为, 由于V n T中烯烃中的α-氢原子与PTCDA之间存在氢键, 使给体和受体之间的电子转移作用增强并消除了亚导带陷阱. 同时, V n T/PTCDA体系的有序性也增963。