有机太阳能电池_-_太阳能_(PPT)

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型太阳能电池层出不穷。 研究人员在此类太阳能电池的基础上又提出 了一个重要的 概念：混合异质结（体异质结） 了一个重要的概念：混合异质结（体异质结） 工作原理和影响因素 光子Βιβλιοθήκη Baidu获吸收 能量传输转移 载流子产生 载流子收集 光子捕获及影响因素： 也就是光子到来能够吸收并储存它所携带 的能量的部分。（硅，有机物） 影响 因素 基板的透光性 能级特性，激发态稳定性，回传速率等 能量传输及影响因素 传统器件： 传统器件： 载流子 激子器件： 激子器件： 激子 迁移率（掺杂） 扩散长度（杂质，缺陷，迁移率，和激发 态的寿命，及回传速率） 载流子产生及影响因素 激子器件中由于产生的激子必须扩散到 分离点才会变为自由载流子。 激发态寿 命 迁移率 界面能级特性 载流子的收集影响因素 激子被分离为载流子之后，必须被电极收集 之后传导出去 电极功函数 界面能 级状态（复合） 电极表面形态 迁移率 有机物的光化学和物理过程 激子通常寿命很短，很快失活，能量耗 散掉失活的途径是多种多样的，他们在 互 相竞争着。 失活途径： 辐射机制 无辐射机制 辐射机制： 荧光（光——光） 磷光（光——光） 无辐射机制： 物理的：内转 换，系间窜穿（光——热） 化学的；单重态反应，三重态反应（光— —化学） 光化学和光物理过程 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＊ 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）
Ｄ＊ Ａ Ｄ Ａ＊ 光致电子转移： Ｄ＊＋Ａ——Ｄ Ｄ＊＋Ａ——Ｄ＋＋Ａ－ Ｄ＊ Ａ Ｄ＋ Ａ－ Ｄ＋Ａ＊——Ｄ Ｄ＋Ａ＊——Ｄ＋＋Ａ－ Ｄ Ａ＊ Ｄ＋ Ａ－ 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。 器件结构和性能改善 器件基本结构： 其他常见结构：
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，更便宜 因而目前 有机太阳能的现状是：研究机 有机太阳能的现状是：研究机 构 纷纷投身研究有机太阳能，企业也纷纷涉 足有机太阳能。 下面介绍的是近两年研究 机构和企业的动 态和研究现状： ２００７ 《Ｓｃｉｅｎｃｅ》Ａｌａｎ Ｊ． Ｈｅｅｇｅｒ等 “使有机薄 Ｓｃｉｅｎｃｅ》 Ｈｅｅｇｅｒ等 膜太阳 能电池的单元转换效率达到了全球最高 ――６．５％”。 ――６．５％”。 结构：级联结 构 结构：级联结构 关键：在两个太阳能电池单元之间夹了一层 关键：在两个太阳能 电池单元之间夹了一层 ＴｉＯｘＩ （钛氧化物材料） （钛氧化物材料） ｐ型：ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ， ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ， ｎ型：ＰＣＢＭ与ＰＣＰＤＴＢＴ的混合材料（７５０～ ＰＣＢＭ与ＰＣＰＤＴＢＴ的混合材料（７５０ ～ ８００ｎｍ） ＰＣ７０ＢＭ与Ｐ３ＨＴ的混合材料（５００ｎｍ ＰＣ７０ＢＭ与Ｐ３ＨＴ的混合材料（５００ｎｍ ） ２００９ 《Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ》韩国光州科学技 Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ》 术学院（ＧＩＳＴ）宣布， 将单结有机薄膜太阳能电池 术学院（ＧＩＳＴ）宣布，将单结有机薄膜太阳能电池 的单元 转换效率提高到了６．１％。（２００７级联６．５ 的单元转换效率提高到了６．１％。（２００７级联 ６．５ ％。） ％。） 结构：单结、Ｂｕｌｋ Ｈｅｔｅｒｏ结构 结构：单结、Ｂｕｌｋ Ｈｅｔｅｒｏ结构 Ｐ型 ：ＰＣＤＴＢＴ ｎ型：ＰＣ７０ＢＭ 特点：开放电压较大（４２５～５７５ｎｍ时，内部 特点：开放电压较 大（４２５～５７５ｎｍ时，内部 量子效率高达９０％。） 量子效率高达９０％。） 三菱化学开发出了４．５％的转换效率的电池。 三菱化学开发出了４．５％的转换效 率的电池。 Ｐ型： Ｐ３ＨＴ Ｎ型：富勒烯衍生物 目标：今后力争２０１０年度达到１０％，并 于２０１５年 目标：今后力争２０１０年度达到１０％，并于２０１５年 使模块转换效率为１５％ 使 模块转换效率为１５％的有机太阳能电池实现实用 化 大阪大学（２００８年 大阪大学（２００８年３月２７～３０日）成功开发出了单元 ２７～３０日 转换效率高达５．３％的有机固体太阳能电池。 转换效率高达５．３％的有机固体太阳能电 池。 关键：纯度极高的Ｃ６０（７个九）结晶实现的（ 关键：纯度极高的Ｃ６０（７个九）结晶实 现的（仅通过这两 点便将单元效率由原来的２．５％提高到了５．３％的全球 点便将单元效 率由原来的２．５％提高到了５．３％的全球 最高水平） 最高水平） 结构：ＩＴＯ（透明电极） ／Ｈ２Ｐｃ／ｉ层／Ｃ６０／ＮＴＣＤＡ／Ａｇ（电极） 结构：ＩＴＯ（透明电极）／Ｈ２Ｐｃ／ｉ层／Ｃ６０／ＮＴＣＤＡ／Ａｇ（电极 ） Ｂｕｌｋ Ｈｅｔｅｒｏ结构 Ｈｅｔｅｒｏ结构 Ｋｏｎａｒｋａ科技的有机薄膜太阳能电池“Ｐｏｗｅｒ Ｋｏｎａｒｋａ科技的有机薄膜太阳能电池 “Ｐｏｗｅｒ Ｐｌａｓｔｉｃ “（Ｋｏｎａｒｋａ在其所在地） “（Ｋｏｎａｒｋａ在其所在地）美国波士顿的屋顶 上安装了基本相同 的太阳能电池，１ 后其性能几乎没有下降。多数看法认 的太阳能 电池，１年后其性能几乎没有下降。多数看法认 为有机太阳能电池的封装必须使用玻 璃或非常昂贵的薄膜， 与此相反，我们利用市售廉价材料制造出的柔性太阳能电 池 模块却具有如此之高的耐久性，是了不起的成果 池模块却具有如此之高的耐久性，是 了不起的成果 ” 英国风险（Ｇ２４ｉ企业Ｇ２４ 英国风险（Ｇ２４ｉ企业Ｇ２４ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ ）已从２００７年１０ ） 已从２００７年 月起采用卷对卷式印刷技术以２５ＭＷ／年的规模开始 月起采用卷对卷式印刷 技术以２５ＭＷ／年的规模开始 量产柔性色素増 量产柔性色素増感型太阳能电池模块。产 品已于 ２００８年上市。充电器的价格为２０～４０美元。 ２００８年上市。充电器的价格为２０ ～４０美元。 东丽在２００９年 月，通过新开发ｐ 施主） 东丽在２００９年３月，通过新开发ｐ型（施主 ）有机 半导体材料，使转换效率达到了５．５％。 半导体材料，使转换效率达到了５．５％ 。 该ｐ型有机半导体材料的要点为两个方面： （１）通过加大与ｎ型（受主）有机半导体材 料的能级（空 （１）通过加大与ｎ 受主）有机半导体材料的能级（ 间电位）差，实现了约１ Ｖ的高开路电压； 间电位）差，实现了约１Ｖ的高开路电压； （２）通过涂覆与ｎ型半导体 材料的分散混合液形成ｐｎ （２）通过涂覆与ｎ型半导体材料的分散混合液形成ｐｎ 结时， 能够扩大单位体积中ｐｎ结界面的表面积。该 结时，能够扩大单位体积中ｐｎ结界面的表 面积。该 公司将力争在２０１５年前使转换效率达到７ 公司将力争在２０１５年前使转换效率 达到７％。 大日本印刷于２００９年 大日本印刷于２００９年６月宣布， ５ｃｍ见方单元的 ５ｃｍ见方单 元的 能量转换效率达到了４ 能量转换效率达到了４％以上 特点：安装辅助电极使有机 薄膜太阳能电池。 特点：安装辅助电极使有机薄膜太阳能电池。 目标：２０１２年度开 始样品供货有机薄膜太阳能电 目标：２０１２年度开始样品供货有机薄膜太阳能电 池， ２０１５年度之前达到实用水平。此外还将研究基 池，２０１５年度之前达到实用水平。此外
本文由ｓｄｊｎｑｕ贡献 ｐｐｔ文档可能在ＷＡＰ端浏览体验不佳。建议您优先选择ＴＸＴ，或下载源文件到本机 查看。 ２００９．１２．２２ 有机太阳能电池 景广华 提纲 太阳能电池的定义 太阳能电池的种类 有机太阳能电池简介 有机太阳能电池的 优势和不足 有机太阳能电池的发展现状 有机太阳能电池的发展前景 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 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 太阳能电池的种类 结构分类 同质结（ｓｉ） 同质结（ｓｉ） 异质结（砷化铝钾－砷化镓异质结） 异质结（砷 化铝钾－砷化镓异质结） 肖特基（ｍｓ电池） 肖特基（ｍｓ电池）现在发展成 ｍｏｓ电池 ｍｏｓ电 池 材料分类 硅太阳能 无机化合物半导体太阳能（硫化镉无机化合物半导体太阳能 （硫化镉－硫化亚铜， 砷化镓等） 砷化镓等） 敏化纳米晶太阳能（染料敏化太阳能） 敏 化纳米晶太阳能（染料敏化太阳能） 机化合物太阳能 以酞菁 等等为集体材料制 成的 太阳能（小分子有机物太阳能） 成的太阳能（小分子有机物太阳能） 塑料太阳能（高分子 多聚物太阳能） 塑料太阳能（高分子多聚物太阳能） 光电转换机理分类 传统（光照直接产生电子空穴对） 传统（光照直接产生电子空 穴对） 激子（ 激子（光照产生的是激子，有机小分子，染 料，多聚物） 料，多聚物） 材料种类 有机太阳能电池简介 广泛的讲有机太阳能电池主要是利用 有机小分子或有机高聚物来直接或间接将 太阳能转变为电能的器件。 有机太阳能电池发展简史 有机太阳能电池是一种正在进行研究 的新型电池。有 机太阳能电池这个概念貌 似很新，但其实它的历史也不短——跟硅 似很新，但其实 它的历史也不短——跟硅 基太阳能电池的历史差不多 。 第一个有机光电转化器件是 由Ｋｅａｒｎｓ 第一个有机光电转化器件是由Ｋｅａｒｎｓ 和Ｃａｌｖｉｎ在１９５８年制备的，其主要材 料为 Ｃａｌｖｉｎ在１９５８年制备的，其主要材料为 镁酞菁（ＭｇＰｃ）染料，染料层夹在两个功 函 镁酞菁（ＭｇＰｃ）染料，染料层夹在两个功函 数不同的电极之间。在那个器件上，他 们 观测到了２００ ｍＶ的开路电压，光电转化效 观测到了２００ ｍＶ的开路电压，光电转化 效 率低得让人都不好意思提 。 １９８６年，柯达公司的邓青云博士． １９８６年，柯达公司的邓青云博士． 光电转化 效率达到１ 效率达到１％左右。时至今日这种双层膜异质结的 结构仍然是有机太阳能 电池研究的重点之一。 １９９２年，土耳其人Ｓａｒｉｃｉｆｔｃｉ发现，激发态的 １９９２年，土耳 其人Ｓａｒｉｃｉｆｔｃｉ发现，激发态的 电子能极快地从有机半导体分子注入到Ｃ６０分子 电子 能极快地从有机半导体分子注入到Ｃ６０分子 而反向的过程却要慢得多１９９３年，Ｓａｒｉｃｉ ｆｔｃｉ在此 而反向的过程却要慢得多１９９３年，Ｓａｒｉｃｉｆｔｃｉ在此 发现的基础上制成ＰＰＶ／ Ｃ６０双层膜异质结太阳能 发现的基础上制成ＰＰＶ／Ｃ６０双层膜异质结太阳能 电池。此后 ，以Ｃ６０为电子受体的双层膜异质结 电池。此后，以Ｃ６０为电子受体的双层膜异质结
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目前效率比较高的两种电池所用的结构： ２００７《ｓｃｉｅｎｃｅ》发表的，是当时的世界记录６．５％ ２００９年４月２６日《ｎａｔｕｒｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ》上的高效单结电池 分类 有机太阳能按照结构和机理大致分为以 下几种类型。 有机肖特基 有机异质结 有机体异质结 染料敏化 染料敏化太阳能 示意图 体异质结太阳能电 池内部结构 性能的改善 器件结构 退火工艺 成膜工艺 新分子的采用和分子改造 载流子传输层 电极的 改进 结构的改进 肖特基 异质结 体异质结 改进体异质结 粒子阻挡层、复合层 退火工艺 退火的应用允许材料进行重新的组织形成一定 的晶态和良好的双联通结构，进 而改善迁移率， 改进器件性能。 温度 时间 影响：短路电流，填充因子（串联，并 联电阻）， 开路电压，响应波段。 成膜工艺 有机器件一般采用真空蒸镀的方式来沉积薄膜， 当然对于大分子最常用的是旋 涂，溅射由于粒子 能量较大不宜用来直接在有机物上镀膜。 成分比例 厚度 溶剂 影 响：短路电流，开路电压，填充因子 新分子的采用和分子改造 不同物质的特性不同因而对器件的影响是很 大的，目前来看最有希望的便是富 勒烯衍生物作 为受体的电池，当然人们还在需求新的途径。 改造富勒烯系列分子 液晶分子（自组织） 双区分子的合成（自组织，引入Ｃ 双 区分子的合成（自组织，引入Ｃ６０） 这种工作对性能的影响是源于物质本性的。 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） 激子阻挡层（ＢＣＰ） ＬｉＦ ＰＥＤＯＴ： ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ 碳 纳米管 影响：短路电流，填充因子 电极的改进 清洗（ＨＣｌ等） 清洗（ＨＣｌ等） 紫外臭氧处理 ＰＥＤＯＴ： ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ ＩＴＯ的替代 （ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、碳纳米管） ＩＴＯ的替代（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、碳纳米管） ＬｉＦ 影响：短路电 流，填充因子 有机太阳能电池的优点和不足 有机太阳能电池作为一种新型的电池， 以其独有的特点，不断的吸引着更多的 人 投入到这个领域的研究和开发中来。其发 展速度之快也得益于其独有的优点和特 性。 化合物分子可设计性 材料轻便 制造加工成本低 样式多样化 便于制造大面积柔 性电池 当然目前来看有机太阳能器件仍有不少缺点 材料迁移率低，高体电阻，从而导 致能量 转换率低。 材料稳定，耐久性不够好，电池寿命短。 当然从目前世界上有机 太阳能研究的状 况来看虽然存在这些缺点，但是相对于制 造无机电池的高昂代价来 讲，无机太阳能 的研究仍旧有很强大的生命力。 有机太阳能的研究现状 当电力、煤炭、石油等不可再生能源频 频告急，能源问题日益成为制约国际社 会 经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始 开发太阳能资源，寻求经济发展的新动 力。 而太阳能电池便是一个很好的应用。 无机：这种无机原料太阳能电池造价昂贵， 因而与其他一些能源发电比起来缺乏竞争 力 。（纵然如此研究者也不在少数） 纵然如此研究者也不在少数） 有机：未来太阳能电池的主流发展方向强调 的是更轻便、更灵活，最重要的是，更便宜 的是更轻便、更灵活，最重要的是