有机光伏电池的研究现状

<有机化学进展>结课论文题目:有机光伏电池的研究现状

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有机光伏电池的研究现状

摘要：本文对有机电致发光显示器件的发展历史，器件结构、工作特征、发光器件（OLED）的优点、发展现状和趋势等都做了简要的概括。详细介绍了有机发光材料的研究状况，包括小分子发光材料、高分子(聚合物)发光材料，以及新材料的开发。最后总结了国内外OLED 技术的发展状况。

关键词：有机光伏材料

Research and development

of Organic photovoltaic cells

Abstract Organic light-emitting diodes (OLEDs), having excellent properties of low driving voltage and brightemission, have been extensively studied due to their possible applications for flat panel color displays.At the same time, or-ganic electroluminescent materials have been made with an outstanding progress.And thestatus of organic electrolumi-nescent materials(including evaporated molecules and polymers)were reported in this paper.

Key words OLED, organic luminescent materials, evaporated molecules and polymers

光伏作用（Photovoltaic effect）光照在不均匀的半导体或半导体与金属结合的不同部位而在其之间产生电位差的现象。（光子→电子；光能→电能）

一、发展历史

术语“光生伏打”（Photovoltaics）来源于希腊语，意思是光、伏特和电气的，来源于意大利物理学家亚历山德罗·伏特的名字，在亚历山德罗·伏特以后“伏特”便作为电压的单位使用。以太阳能发展的历史来说，光照射到材料上所引起的“光起电力”行为，早在19世纪的时候就已经发现了。1849年术语“光－伏”(photo-voltaic)才出现在英语中，意指由光产生电动势，即光产生伏特。1839年，光生伏特效应第一次由法国物理学家A.E.Becquerel发现。1883年第一块太阳电池由Charles Fritts制备成功。Charles用硒半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结，器件只有1%的效率。到了1930年代，照相机的曝

光计广泛地使用光起电力行为原理。1946年Russell Ohl申请了现代太阳电池的制造专利。

到了1950年代，随着半导体物理性质的逐渐了解，以及加工技术的进步，1954年当美国的贝尔实验室在用半导体做实验发现在硅中掺入一定量的杂质后对光更加敏感这一现象后，第一个有实际应用价值的太阳能电池于1954年诞生在贝尔实验室。太阳电池技术的时代终于到来。1960年代开始，美国发射的人造卫星就已经利用太阳能电池做为能量的来源。1970年代能源危机时，让世界各国察觉到能源开发的重要性。1973年发生了石油危机，人们开始把太阳能电池的应用转移到一般的民生用途上。

在美国、日本和以色列等国家，已经大量使用太阳能装置，更朝商业化的目标前进。

二、有机光伏电池应用情况

基于化石能源的有限性和不可再生的特点，寻找替代能源，成为维系全球经济可持续发展的一个重要环节。光伏发电直接利用太阳能转换成电能，是目前为止具有较高商业开发价值的绿色可再生能源，甚至在本世纪末有望成为主力能源之一。随着光伏电池制造技术的不断完善，生产成本不断降低，此外，化石能源价格持续走高，在内因和外因的共同推动下，光伏发电产业已经步入了快速发展阶段。来自IMS Research的报告显示，2010年新增光伏发电装机容量增长了130%，达到17.5GW。

光伏发电产业的发展前景也越来越被国际社会看好。国际能源署（IEA）在2010年5月发表的太阳能光伏路线图中表示，光伏发电是能商用的可靠技术，在世界几乎所有地区都具有长期增长的巨大潜力。该路线图中预测：从2010年开始，光伏发电占全球总电力的比例将不断上升。2020年达到1.3%，2030年升至4.6%。目前，我国光伏发电的应用市场处于起步阶段。2010年，我国新增光伏发电装机约500MW，累计达800MW。但与我国飞速发展的光伏制造业相比，在光伏应用领域的前进步伐明显滞后于我国光伏制造业。2000年，我国太阳能电池产量仅为3MW，到2007年年底达到1088MW，超过欧洲（1062.8MW）和日本（920MW），跃居世界第一位。2010年，我国太阳能电池产量达到8GW，约占全球光伏电池产量的一半。

三、为什么会促生有机光伏材料

传统的光子材料为无机半导体材料如Si、Ge 、GaAs 、GaP、GaN和SiC 等。但由于这类无机材料制作太阳电池存在生产工艺复杂、成本高、难设计、不透明和制作过程耗能高等不足，同时，其成熟技术的转换效率己基本达到极限值，使进一步改进受到相当大程度的限制。近年来，导电聚合物的快速发展使得研究开发低成本太阳电池成为可能。共轭导电高分子材料由于在一定程度上同时具有聚合物的柔韧性和可加工性、以及无机半导体特性或金属导电性，因而具有巨大的潜在商业应用价值。随着有机聚合物研究向广度与深度的不断发展许多在传统材料中发现的光子现象在有机半导体聚合物中也同样被观测到。用这类聚合物制作的高性能光子器件包括发光二极管、发光电化学电池、光伏电池、光探测及光电耦等这些器件的很多性能都已达到或超过相应的无机材料器件。而有机聚合物光伏电池以其低成本、可弯曲和大面积的优点倍受学术界和工业部门的关注。有机光伏材料区别于无机材料的特点是:(1)光生激子是强烈地束缚在一起的，它们一般不会自动地分离成单独的电荷;(2)电荷是以跳跃方式在定域状态形式的分子间传输的，而不是在带内传输，所以具有低的迁移率; (3) 相对于太阳光谱来讲，它们的吸收光波长范围很窄，但光吸收系数高(~105cm−1)，100nm 左右的薄膜就可以得到较高的光密度;(4)这些材料在有氧和水存在的条件下往往是不稳定的;(5)作为一维半导体，它们的电和光性能具有较高的各向异性，而这对于器件设计来讲具有潜在的应用价值。

四、有机光伏电池的基本原理

有机光伏电池的基本原理与无机太阳电池类似:(1)一定光照射到有机光伏器件后，具有能量hν>E的光子被有机半导体层吸收，就会激发一个电子从价带跃迁到导带，而在价带处留出空位，这一空位被称为空穴，空穴带有正电荷; (2) 在传统的半导体中，被激发的电子和形成的空穴会自由地向相反电极方向移动。而在导电聚合物中，受入射光子激发而形成的电子和空穴则会以束缚的形式存在;成为激子;(3) 通常这些电子空穴是在光子激发时形成的，如果在电场或在界面处，这些电子空穴对就会分离成电子和空穴，也就是所谓的带电载流子,它们的迁移就形成了光电流(见图1) 。