有机薄膜太阳能电池的结构与制作技术

th a t h a s a ttr e t d m u e h a tte n tio n . T h is a r ie le in tr d u e e s th e e lee tn e 一 e n e ra 亡 n P n n c 一 le a e t o g Io P
o f m a in g it la rg er a n d s o f e rk t K ey w o r d s :
一 等值 电路可知 , 串联 阻抗大 和并联 阻抗小
从这
虑 相分 离的尺寸 和均匀性 以及 电荷的输送
电流泄露 的场
异 质结相 分离结 构的控 制 , 是提 高发 电效率 不可 缺少的重 要 因素 不 断尝试 着对 这一 相分 离结 构用 块状 (b o ck 共 重合 l )
利用共 重合体 的高分子链分 子量 和亲 疏水
荷的生成等 这些改善为了充分发挥 O T FSC 的特点
化 , 为 了使基于 光吸收 所生成 的 电荷增 加 , 必须在 激励子 可
能扩 散 的范 围内设置 p一 合 界面 n接 从而 , 不 是二元 的平 面
有机 薄 膜 太 阳能 电池 , 以p o ly th iop hen e 系
phenyl ene一 vinyl ene系 研究
并阐述 了其有 关 的发 电原理 和安装 中的关键 技术
各 个产业 及至人 民的生 活
前的单 晶硅太 阳 电池 , 难于大 幅度降低 成本 池 的原料 硅 占到制造 成本 的30% 以上
单 晶硅太 阳电
2
有机薄膜太阳能 电池的发 电原理
图 1所 示为 有 机 薄 膜 型太 阳能 电池 (O T F S C )的 断 面
整 块异质结 的结 构 , 对 二共扼高 分子与 电子受 体分子两 方面
与 电极 接合 的可能性 大 , 产生 反 向 电流的 可能性 高
分 离结 构
块 状共 重合 体 中 , 相分 离尺 寸为 10nm 一数十nm 现正处于材料合成
左右 , 与 由 7 共扼高分子和低分子的电子受体分子构成的相分 T
要
氧化 钦 和氧 化锌 等金属 氧化 物具 有 电子受 容性 (从有 机
或n 型激 励子 , 在具 有 整块 异质结 结构 的薄 膜 内部扩散
在
接合 界面上 , 与相互 不同的 分子会合 时 , 开始 电荷分离 , 能
生成 空 穴 与 电子 由于 有机 半 导 体 的 电荷 在 分子 内的局 部
荷 输送 的改善 ; (3 增大p 一 结 界面 的接 合 面积 ; (4 促 进 电 ) n )
在得到光 吸收能量 整体的积 分值 , 增 大整 体异质 结结构 的膜 厚度是较好 的 激励 子扩散长度 因被 限制在 50nm 左右 , 故 单
纯的增大 膜厚是有 限的
在这 样一种 背景 下 , 对 长波 区可以
:熬 : : 不
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燕燕 攀
光吸 收的 图2 所示窄 带隙 聚合物进 行 了开 发
o f O T F S C , te e h n o lo g y o f h ig h e f e ie n ey . a n d w a y s i
O T F S C . E le e tn e 一 e n e ra tio n P rin e iP le . H ig h e f e ie n e y . L a g e 万 g , S o f e n 一 g g i r iin t n
经 过 了激励 子 (exci e )的扩 散 tr
3 .1 短路 电流密度的改善
为提高短路 电流密度 , 进行 了下面几项开 发 : (l 光吸收 ) 范 围扩大 (提高 吸收强 度 , 力 求 吸收光 波 的长波 化 ); (2 )电
分 子或 者 电子受 体分 子的 光吸 收 , 产 生激 励子
po ly 一 p
polyf uorene系 等材 料为基础 进行 了 l
接合 , 在 薄膜 内部构建微 细的相 分离 , 因此 , 藉增 大接合界
面面积 的整 块异 质结结 构 , 可大 幅度提 高效 率
整块异 质结
配对 电极
即使 带 隙接 近Zev , 长 波侧 的 光吸 收 也非 常 少 , 如 旨
构 的太 阳能 电池是 人Fra Baidu bibliotek所 期 待的 有机 太 阳能 电池 , 有 利用光 电化学 的色 素增感 型太 阳能
使 透 明 电极 平 滑 化 并 承 担 空 穴 输 送 的 空 穴 输 送 材 料
(P E D O T 一 S S ) , 以及 二共扼 高 分 子 (P 3H T )和 电 子受 体 P
合 下 , 从 外部取 出的 电压 降低 , 从而 , 应尽可 能减小相 当于
串联 阻抗 的界面接触 电阻和 电极 薄片 阻抗等
而且 , 生 成的
体控 制 的方 法
电荷有助 于有机 薄膜的 内部 电场 , 并各 自输送 空穴和 电子
性 等性质 , 块状共 重合体 可周期地 构建成 纳米级 的高分子 相
New Ene rg y
的 电子 受 体分 子 (低 分子 化 合物 )混 合 , 构 建成 这 一混 合物
导 , 但高分子系O T FS C 的 电荷 输送机理 尚未 充分理解
对电
的相 分离 , 形成所 谓整 块异质结 相分 离的随机结 合界面
电
荷 输送 必须 的 自生 电场 (固有 电位 )产生 来 源及 其 电场强 度
闷吮蕊v
4 .3 日 V
八l
图 2 窄带隙聚合物的一侧 窄带 隙聚合物 因能确保长波侧的光吸收 , 故不仅能增大光 吸收能量的积分值 , 而且, 因原来的 二共骊高分子与可 以光吸
5 leV
P E D O 一P S S
P3 H T
收的波长区不 同, 将二者叠层 后能形成2端 子的串联结 构
构 成整块 异质结 的 7 共 扼高分 子 与 电子 受体分 子 的 电荷 T 输送 , 受覆盖 于薄膜 的 内部 电场推动 而扩散 , 或 以跳 跃式传
分 子 (C 6 1 一 C B M ) 的 混合 液 P 当这 一 混 合 液 的溶 剂 挥 发
电池 , 和藉助有机 E L 逆过程实现 光电变换 的有机 薄膜型太 阳
时 , 相 当于p型半 导体 的 二共扼高 分子 , 与相 当于n型半 导体
电 源世 界 20rl /06 ! 4 3
新能 源l
4 4 }丁 e w o 一 o r 尸 w e : s u p p { 卜 d o y Ju 2011
重叠 , 分子 轨道 重叠 良好的结 晶状态 , 理所 当然就 是理 想状 态 径 向规则的 7 共扼高分子 , 在薄膜刚形成之后分子链 的方 T 通过后置的缓冷 , 增大结 晶化程度
向性是无规 则的无定 向
优 化 , 今 后应予 以考虑
介质 薄膜可 补偿整 块异 质结薄膜 上的整 流性 , 电介质薄膜设 置 的极 薄 , 并设 置 了铝质 的里 面 电极 , 这 样 , 电池就 已完
成 高分 子 系有 机薄 膜太 阳能 电池的最 大特点 是 : 相 当于p
3
高效率化的关键技术
决定O T F SC 性能 的参 数 : 短 路 电流密 度 开路 电压 填
l中 图分 类号 IT M g l44 一
1文献标识码 ] A
文市编 号: 156 1一 ( )349(20 11)06一 3一 ( )04 04
1
前言
作为典 型可再 生能 源的 太阳能 光伏 发 电, 近 年来 , 面 向 住宅 , 正急速 的推广 应用 但目
能 电池两 种
本文 主要介绍有 机薄 膜型太 阳能 电池 的开发
即使对具有整块异质结的薄膜 , 藉 后置的缓 冷也已确认是提高
了po yt o phene系的结晶化程度 f hi
流密度
故可改善太 阳电池的短路 电
若 采用玻璃转移温度以上 的后置缓 冷, 则效果更佳
{ 能 源} 新}
New E n e rg y
藉 助 二共扼 高分子 与 电子受体 分子 的混合 比例 种类 涂敷的方 法 以及 大气
T ran sl ed b y D eng Y n gb ei M a K e, H n a se nyu an sleet e L d . eng yinb ei he gzh ou , 45 00 16 ) t a i , e n i r t D (Z n
摘
要: 有机太阳能 电池是很有发展前途的新能源之一 , 特别是有机 薄膜太 阳能 电池更是备受关注
离结构相 同, 当然可实现以下的致密结构 的试制阶段
这种材料不能达到顶级 的发电效率 , 无法构建按
微相分离结构设置 电极 , 还须进一步研究相分离结构 内部的电
荷输送等 而且 , 电荷输送和耐久性 , 与材料纯度有很大的依
赖 关系 , 故从材料 精加工方面 考虑 , 也应 予以验证
激励 子向整块异 质结结构 内部扩 散 , 到达 p一 n结界 面之际 的 电子 受体分 子 , 其 电子拔 出强度对 O T F SC 的 电荷生 成很重 图 4 0 可 SC 的等值 回路 作为 串联 阻抗之 一的界 面 , 为减小 界面 的接触 电阻 , 整
本 文对有机薄膜太阳能电池
(O T Fsc )的发电原理 , 高 效率 化技术 以及大型 化与柔性化等方面作 了介绍 关键词 : 有机薄膜型 太阳能 电池(O T FSC ) 发 电原理 高效率化 大型 化 柔性化
A b s tr a c t : O rg a n ie so la r b a tte ry 15 o n e k in d o f n e w e n e rg y so u r e s w ith b rig h t f tu 一 , w ith in w h ie h , th e o rg a n ie th in 一 c u e film so la r b a tt ry is o n e e
溶剂 的
虑是 电压 损耗等 若干原 因
可大 致区分 为基于 内部阻抗 的 几
溶 剂的挥 发条件等 , 可 以改变
对于这 样的整 块
损 耗 和 基 于 电荷 再 结 合 (逆 向流 动 的漏 泄 电流 )损 耗
整 块异质 结 的结 构
可将 这些 参数控制 到一定程度 , 还要 考
一般 的太 阳能 电池 能 , 用 图4 所示 等值 电路 表 示
因此 , 对 原料 不依赖
紧 随非晶硅系
于单 晶硅 的非晶硅 系列太 阳 电池进 行 了开 发
O T F S C 主要 由承担基 本 光吸 收与空 穴输送 的 7 一 T 共扼 高 分子 和 承担 电子输 送的低 分子受体 分子所 构成 基 底上涂 覆 了能
列太 阳能 电池之后 的有机太 阳能 电池 , 其原料 丰富 , 且价格 相对 较低 , 并采用 了基本廉 价的非 真空加工工 艺 , 故这 类结
{:!赶 ;!}i
少 :: { ::: : :于 : : 班 ::
飞:: :: : { i 李: : : :于
下共辘聚合物 ( 玻璃或班合物 )
P E D O T 一P S S
电子受体
( 导电聚合物平滑化 )
全 卜 s e w l , . r L |
0 3 6 5 0 4
光激励
3 2 GV
名电潇生成
型半导 体 的 二共 扼高 分子 与相 当于 n型半 导体 的 电子受体 分 子混合 , 藉助这 一 混合物 的相分离 , 构建 了接合界面 的整块 异质结 引人 这一 相分离结 构 , 是 因为有机 薄膜太 阳能 电池
O T F SC 首 先是 由 二共扼 高 然后 , p 型
充 因子 (曲线 因子 )等都 起 着重 要 作用 , 现 将 改进 的事 例分 述如下
} 新能 . 源}
N ew E n e r gy
有机薄膜太 阳能 电池的结构与制作技术
S tru c tu re a n d 飞 c h n o l g y o f O rg a n i T h i 一 l S o l r B a to e n fim a
te ry
邓隐北 马坷 编 译
河南森源 电气股份有限公司 (郑州 4 50 0 1 6 )
导 输送至 电极 此时 , 空穴和 电子 的输送 因经 由分 子轨道 的
李 C仁 M 6p CB
从寥阴
图 1 有机薄膜太 阳电池的断面图及发电机理 空穴 与 电子一旦 生成 , 空穴在 ,:共扼 高分 子的分 子间 , 电子在 电子受体 分子的分 子间各 自输送 , 从 电极取 出 有机
分子 的 电荷 输 送 , 基于 扩 散 或分 子 间的 跳 跃 ( h o p p in g )传