光电转化高分子材料
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离子分离
电子给体/ 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( 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) 即电子给体(donor D)与电子受体(acceptor 组成. 目前D 相材料主要使用共轭聚合物, 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. 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 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 纳米ZnO, 电子基团的共轭聚合物受体材料. 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) 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, 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 之下, 电子由D 相的LUMO 转移到A 相的LUMO上. 一般 情况下, 相的LUMO能级比A 相的LUMO能级高 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。
P型半导体材料P3HT，是一种好的电子施主材料，与之前用的PPV类材 型半导体材料P3HT，是一种好的电子施主材料，与之前用的PPV类材 料相比，P3HT具有更低的能隙以利于对于太阳光长波段的吸收，同时 料相比，P3HT具有更低的能隙以利于对于太阳光长波段的吸收，同时 P3HT具有好的分子间序和更好的载流子迁移能力，尤其是空穴传输率可 P3HT具有好的分子间序和更好的载流子迁移能力，尤其是空穴传输率可 达10-2cm2v-1s-1，通过研究发现经过后期处理(如退火和电场处理)可以更 ，通过研究发现经过后期处理(如退火和电场处理) 好地改善器件性能 PCBM是一种电子受主材料，是C60的一种 衍生物，与C60相比PCBM的溶解性更好， 同时具备C60类的优点(如有好的电子亲和势， 透明性好和良好的电子传输性能)；但是由 于C60对称性很高，使得[C60]PCBM最低能 量转换在形式上表现为偶极禁阻，因此在可 见光区域的光吸收系数很低，如果能用一种 对称性比较低的富勒烯来代替它，光吸收程 度将获得提高．
20122012-4-22
3
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。 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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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 ——将光电材料制成光电池
☺ 开路光电压：电路处于开路（电阻无穷大）时的 电压，常用Voc表示；
☺ 短路光电流：电路处于短路（电阻为零）时的电
流密度，常用Jsc表示；
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填充因子(Fill 填充因子(Fill Factor)
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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 (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； (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 (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 (4)一些生物高分子及其类似物。其中，聚乙烯 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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太阳电池
p-n结
“光生载流子” 的产生
“光生电压”的产生
光子把电子从价带(束缚)激发到导带(自 自由电子和空穴扩散进入p-n结，n-p 由)，并在价带内留下一个/空穴(自由)－ 结作用下，分别在n区和p区形成电子 产生了自由电子－空穴对 和空穴的积累 20122012-4-22 5
填充因子是用来表示由于器件的电阻而导 致的损失参数，其定义为最大输出电子能 量值与开路电压短路电流乘积的比率：
其中Pmax为光电流曲线第四象限电流与电压 乘积最大值，此时对应的电流电压分别记作 Imax，Umax。填充因子越大，即表示输出的 最大功率(Pmax)越高，表明器件的能量转换 效率越高。
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21
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高分子光电转换材料
作为富勒烯类分子中最经典的分子——C60， 是一种芥末褐色的固体，在100℃ 温度下测得C60分子间距为0．3nm，分子 间作用力很弱，是典型的分子晶体。它具 有截角20面体的超高对称结构，由20个六 边形和12个五边形组成，三十二面体的封闭 笼形结构所有原子都是等价的，具有完美的 结构对称性，三维共轭，活泼的化学反应性 以及很强的电子亲和力和还原性。C60熔点 很高，密度1．70g／cm3，C60不溶于水和 一般的有机溶剂，但可以溶于苯，甲苯和二 硫化碳等溶剂，形成洋红色的溶液。
光电转化高分子材料 ——聚合物太阳能电池
组员：
王霞、申燕燕、张瑞、陶升东、 王朋
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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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2
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。 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。
D*
A
D
A*
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D+A*——D D+A*——D++A-
D
A*
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 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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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。
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23
高分子光电转换材料
材料复合——功能耦合 材料复合——功能耦合 电子给体（D ——P3HT 电子给体（D）——P3HT 电子受体（A ——PCBM/ 电子受体（A） ——PCBM/ C60
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参考资料
张华西，李瑛等.化学研究与应用.2004,16(2) 张华西，李瑛等.化学研究与应用.2004,16(2) 王正伟,李吉平等.现代化工.2004,27（ 王正伟,李吉平等.现代化工.2004,27（2） 陈荣.无机化学学报.2004,20（ 陈荣.无机化学学报.2004,20（7） 黎立桂,鲁广昊等.科学通报。2006,51（21） 黎立桂,鲁广昊等.科学通报。2006,51（21） 黄龙,许向东等.功能材料.2011,10（42） 黄龙,许向东等.功能材料.2011,10（42） 雷德生.北京交通大学硕士学位论文. 雷德生.北京交通大学硕士学位论文.
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ຫໍສະໝຸດ Baidu 激发态的能量转移： 激发态的能量转移：
D*+A——D+A* D*+A——D+A*
偶极-偶极能量转移（foster能量转移） 偶极-偶极能量转移（foster能量转移）
D*
A
D
A*
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电子交换能量转移（dexter能量转移） 电子交换能量转移（dexter能量转移）
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潜在的低成本、轻重量和分子水平的可设计性 7
有机/ 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 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。 结构规整的聚(3-己基)噻吩(P3HT)和可溶性C60衍生物 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 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～ 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 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 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 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 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。
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22
C60的加入有利于改善电子受主(PCBM+C60) 的LUMO(最低未占据轨道)能级。C60LUMO 能级要高于PCBM的LUMO能级，而由于在电 子施主／受主体异质结太阳能电池中，器件的 开路电压取决于有机层内施主分子HOMO(最 高被占据轨道)能级与受主分子的LUMO能级 之差，因此以PCBM、C60共掺P3HT光伏器 件的开路电压要高于单纯使用PCBM进行掺杂。
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16
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)
性能参数
☺ 光电转换外量子效率η： 光电转换外量子效率η 电极受光照后，外电路中 单位时间内产生的光电流的电子数
η=
单位时间内吸收的光电子数目
太阳能电池要具有良好的能量转换率，需要 有更高的短路电流，开路电压和填充因子.
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设想 ——高分子光电转换材料
☺倍受关注的高分子材料为P3HT，PCBM 倍受关注的高分子材料为P3HT，
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\ 有机\聚合物太阳能电池
20122012-4-22 6
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。 ☺ 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
离子分离
电子给体/ 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( 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) 即电子给体(donor D)与电子受体(acceptor 组成. 目前D 相材料主要使用共轭聚合物, 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. 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 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 纳米ZnO, 电子基团的共轭聚合物受体材料. 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) 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, 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 之下, 电子由D 相的LUMO 转移到A 相的LUMO上. 一般 情况下, 相的LUMO能级比A 相的LUMO能级高 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。
P型半导体材料P3HT，是一种好的电子施主材料，与之前用的PPV类材 型半导体材料P3HT，是一种好的电子施主材料，与之前用的PPV类材 料相比，P3HT具有更低的能隙以利于对于太阳光长波段的吸收，同时 料相比，P3HT具有更低的能隙以利于对于太阳光长波段的吸收，同时 P3HT具有好的分子间序和更好的载流子迁移能力，尤其是空穴传输率可 P3HT具有好的分子间序和更好的载流子迁移能力，尤其是空穴传输率可 达10-2cm2v-1s-1，通过研究发现经过后期处理(如退火和电场处理)可以更 ，通过研究发现经过后期处理(如退火和电场处理) 好地改善器件性能 PCBM是一种电子受主材料，是C60的一种 衍生物，与C60相比PCBM的溶解性更好， 同时具备C60类的优点(如有好的电子亲和势， 透明性好和良好的电子传输性能)；但是由 于C60对称性很高，使得[C60]PCBM最低能 量转换在形式上表现为偶极禁阻，因此在可 见光区域的光吸收系数很低，如果能用一种 对称性比较低的富勒烯来代替它，光吸收程 度将获得提高．
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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。 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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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 ——将光电材料制成光电池
☺ 开路光电压：电路处于开路（电阻无穷大）时的 电压，常用Voc表示；
☺ 短路光电流：电路处于短路（电阻为零）时的电
流密度，常用Jsc表示；
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填充因子(Fill 填充因子(Fill Factor)
20122012-4-22 8
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 (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； (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 (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 (4)一些生物高分子及其类似物。其中，聚乙烯 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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太阳电池
p-n结
“光生载流子” 的产生
“光生电压”的产生
光子把电子从价带(束缚)激发到导带(自 自由电子和空穴扩散进入p-n结，n-p 由)，并在价带内留下一个/空穴(自由)－ 结作用下，分别在n区和p区形成电子 产生了自由电子－空穴对 和空穴的积累 20122012-4-22 5
填充因子是用来表示由于器件的电阻而导 致的损失参数，其定义为最大输出电子能 量值与开路电压短路电流乘积的比率：
其中Pmax为光电流曲线第四象限电流与电压 乘积最大值，此时对应的电流电压分别记作 Imax，Umax。填充因子越大，即表示输出的 最大功率(Pmax)越高，表明器件的能量转换 效率越高。
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高分子光电转换材料
作为富勒烯类分子中最经典的分子——C60， 是一种芥末褐色的固体，在100℃ 温度下测得C60分子间距为0．3nm，分子 间作用力很弱，是典型的分子晶体。它具 有截角20面体的超高对称结构，由20个六 边形和12个五边形组成，三十二面体的封闭 笼形结构所有原子都是等价的，具有完美的 结构对称性，三维共轭，活泼的化学反应性 以及很强的电子亲和力和还原性。C60熔点 很高，密度1．70g／cm3，C60不溶于水和 一般的有机溶剂，但可以溶于苯，甲苯和二 硫化碳等溶剂，形成洋红色的溶液。
光电转化高分子材料 ——聚合物太阳能电池
组员：
王霞、申燕燕、张瑞、陶升东、 王朋
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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。 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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D+A*——D D+A*——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 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。
20122012-4-22 15
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。
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高分子光电转换材料
材料复合——功能耦合 材料复合——功能耦合 电子给体（D ——P3HT 电子给体（D）——P3HT 电子受体（A ——PCBM/ 电子受体（A） ——PCBM/ C60
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参考资料
张华西，李瑛等.化学研究与应用.2004,16(2) 张华西，李瑛等.化学研究与应用.2004,16(2) 王正伟,李吉平等.现代化工.2004,27（ 王正伟,李吉平等.现代化工.2004,27（2） 陈荣.无机化学学报.2004,20（ 陈荣.无机化学学报.2004,20（7） 黎立桂,鲁广昊等.科学通报。2006,51（21） 黎立桂,鲁广昊等.科学通报。2006,51（21） 黄龙,许向东等.功能材料.2011,10（42） 黄龙,许向东等.功能材料.2011,10（42） 雷德生.北京交通大学硕士学位论文. 雷德生.北京交通大学硕士学位论文.
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ຫໍສະໝຸດ Baidu 激发态的能量转移： 激发态的能量转移：
D*+A——D+A* D*+A——D+A*
偶极-偶极能量转移（foster能量转移） 偶极-偶极能量转移（foster能量转移）
D*
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电子交换能量转移（dexter能量转移） 电子交换能量转移（dexter能量转移）
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潜在的低成本、轻重量和分子水平的可设计性 7
有机/ 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 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。 结构规整的聚(3-己基)噻吩(P3HT)和可溶性C60衍生物 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 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～ 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 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 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 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 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。
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C60的加入有利于改善电子受主(PCBM+C60) 的LUMO(最低未占据轨道)能级。C60LUMO 能级要高于PCBM的LUMO能级，而由于在电 子施主／受主体异质结太阳能电池中，器件的 开路电压取决于有机层内施主分子HOMO(最 高被占据轨道)能级与受主分子的LUMO能级 之差，因此以PCBM、C60共掺P3HT光伏器 件的开路电压要高于单纯使用PCBM进行掺杂。
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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)
性能参数
☺ 光电转换外量子效率η： 光电转换外量子效率η 电极受光照后，外电路中 单位时间内产生的光电流的电子数
η=
单位时间内吸收的光电子数目
太阳能电池要具有良好的能量转换率，需要 有更高的短路电流，开路电压和填充因子.
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设想 ——高分子光电转换材料
☺倍受关注的高分子材料为P3HT，PCBM 倍受关注的高分子材料为P3HT，
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\ 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。 ☺ 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