有机太阳能电池封装技术毕业设计

1 有机太阳能电池概述

1. 1 研究背景

随着化石能源的日益枯竭, 可再生能源的寻求已经迫在眉睫，太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的绿色能源受到了人们的关注。据统计，地球表面接受的太阳能辐射达到全球需求能源的一万倍，地球每平方米平均每年受到的辐射可发电289kw. h，在全球4%的沙漠上装太阳光伏系统，就足以满足全球能源需求。因此光伏发电具有广阔的发展空间。目前占光伏市场主导地位的是单晶硅和多晶硅太阳能电池。但是, 昂贵的成本是限制无机太阳能电池进一步发展的重要因素。并且，中国多晶硅价格从去年最高的超过300万元/ 吨，下降至目前大约120 万元/ 吨。薄膜太阳能电池等由于成本低, 市场份额迅速扩大，这不仅对传统晶硅电池价格形成压制，同时在一定程度上降低了太阳能发电成本。

从20 世纪70 年代开始人们就越来越关注有机太阳能的研制。在导电聚合物上的研发利用取得很大的进步，有机半导体成为硅半导体的替代品指日可待。机导电聚合物有其独特的优势：有机分子可以经过加工，不需要得到晶体状无机半导体。特别是聚合物半导体的优越性是与廉价的加工技术联系在一起。大量的研究表明，导电聚合物是集各种性能于一身的半导体材料。导电聚合物又称导电高分子, 是通过参杂手段,能使得电导率在半导体和导体范围内的聚合物. 自1970 年代第一种导电聚合物—聚乙炔发现以来, 一系列星星导电聚合物相继问世. 常见的导电聚合物有聚乙炔, 聚噻吩,聚吡咯,聚苯胺,聚苯撑,聚苯撑乙烯,和聚双炔等. 有机薄膜聚合物的快速发展，为有机薄膜太阳能电池的发展，提供有力的支持。机薄膜太阳能电池也是一种薄膜器件，现在的各种成熟的薄膜制造技术为有机薄膜太阳能电池的发展提供技术保障。有机聚合物太阳能电池具有可重复利用，质量轻，柔性强，对环境无污染，低成本，制作过程简易迅速等优点。双层异质结概念的引入标志着有机太阳能电池的一个重要突破。1986 年,C. W. Tang［1］使用另一种有机半导体材料作为电子受体,与电子给体材料（酞菁铜）构成异质结, 制备了双层结构的有机太阳能电池，大幅度提高了有机太

阳能电池的性能。1995年,Yu等［2］将共轭聚合物EH-PPV 和富勒烯（或其衍生物PCBM）混合在一起,制备了体异质结太阳能电池。2001年,Shaheen等［3］使用氯苯作为溶剂来取代当时常用的甲苯,制备了基于聚对苯乙炔富勒烯衍生物混合溶液（MDMO - PPV: PCB）性层的体异质结太阳能电池。该器件的功率转换效率达到2. 5%,几乎是甲苯作为溶剂的器件效率（0. 9%）的3倍。2003年，Pad in ger等［4］对P3HT: PCBM体异质结太阳能电池进行热退火（75° C）以及外加电压（2.7 V）的后期处理, 在白光照射下（功率为80mW/ cm2）获得了3. 5%的功率转换效率。2007 年,Peet等［5］报道称向PCPDTBT: P5BM混合溶液（溶剂为氯苯）中添加很小体积比的alkanedithiol, 制备的太阳能电池的效率从没有添加剂时的

2. 8%提高到5. 5% 2012年，DO等［6］报道了效率高达8. 62%勺反型结构叠层太阳能电池, 主要釆用了更高效的低带隙材料作为子电池的活性层。2013年,you等［7］继续优化低带隙聚合物并釆用Dou等所报道的器件结构,制备的叠层太阳能电池效率首次突破10% （达到10. 6%）。

1.2 有机太阳能电池的基本结构

1. 2. 1 单层有机太阳能电池器件单层太阳能电池是由一层同质单一极性的有机半导体嵌入电极之间而组成的电池器件，如图1-1（a），其结构为：玻璃基片/电极/同质活性层/电极，阳极一般是ITO，阴极一般是功函数低的金属Al, Ag, Ca, Mg 等。在有机单层器件中，两个电极功函数差别导致的内建电场是激子解离为电子和空穴的主要驱动力，然而，内建电场一般不足以将有机材料的激子解离，所以激子解离效率极低。从而导致单层结构光电转换效率很低。

1. 2. 2 双层异质结有机太阳能电池器件双层异质结有机太阳能电池的给体和受体材料分层于阴极和阳极两个电极间组成平面型D-A 界面，如图1- 1( b) ，其结构为：玻璃基片/阳极/给体材料/受体材料/金属阴极，在双层异质结太阳能电池器件中电荷分离的主要驱动力是给体和受体的LUMO 的能极差(给体和受体界面的电子势

垒)。在界面处较大的势垒更有利于激子的解离。和单层器件对比，双层异质结器件的优点在于提供更好的电子空穴通道。电子和空穴分别在n 型受体材料中和p 型给体材料中传输，使电荷分离效率增大，自由电荷重新复和率减小。

1. 2. 3 体异质结有机太阳能电池器件

本体异质结有机太阳能电池的给体和受体在活性层中是充分混合的，

D-A 界面存在于整个活性层。如图1- 1( c) ，其结构为：玻璃基片/阳极/ 混合活性层材料/金属阴极，与双层异质结相似，都是用D-A 界面效应来转移电荷。区别在于本体异质结在整个活性层产生电荷分离，而双层异质结只在界面处产生电荷分离，所以本体异质结器件中激子解离效率较高，复合的概率较小，本体异质结有机太阳能电池活性层材料的形貌和受体/ 给体的混合程度，对光电流的产生和能量转换效率有很大的影响。粒径的尺寸太大会降低电荷的分离效率，太小会阻碍电荷的传输，因此，优化材料粒径大小可以较好的提高电荷分离效率和输运效率。

二元体异质结有机太阳能电池的活性层材料中包含一种给体材料和一种受体材料，而近研究发现的三元有机太阳能电池包括两种给体材料和一种受体材料或两种受体材料一种给体材料，能够扩展宽带隙聚合物材料的吸收光谱至近红外区域，这种方法简单有效。和传统的二元体系有机太阳能电池相比，三元有机太阳能电池具有一定的优势。通过合理的设计，

在主体系中引入适当第三种材料，有源层的能级和吸收光谱能够得到调节。能级的调节有助于提升有机太阳能电池的开路电压，进而提升电池的

光电转换效率，同样，有源层吸收光谱的扩展能够增大其对太阳光子的捕获，提升短路电流。此外，级联的能级结构可以促进载流子的传输，形貌的改善有益于激子的解离和载流子的收集，能量传递能够辅助激子解离，提高激子的解离效率。综合运用三元有机太阳能电池的这些优势，提高对三元有机太阳能电池机理的理解，将有助于推动有机太阳能电池的发展。

1.2 4叠层结构有机太阳能电池器件

叠层结构有机太阳能电池器件是将多个单元器件串联做成一个器件，从而最大限度的吸收太阳光谱，使电池的开路电压和效率得到提高。如图1-1（d），其结构为：玻璃基片/阳极（透明”活性单元结构1/连接层/活性单元结构2/阴极（背电极），太阳光谱的能量分布很宽，而一般材料的吸收范围都是有限的，单一材料只能吸收部分太阳光谱能量。叠层结构的

电池利用不同种类材料的不同光谱吸收范围，提高对太阳光谱的吸收，从

而提高效率。由于串联的原因，叠层结构电池的开路电压一般大于其子单元结构的开路电压，其转换效率主要受到光生电流的限制。因此，更好的选择各子电池的能隙宽度和厚度是叠层结构电池设计的关键，保证各个子

电池之间的欧姆接触，从而得到高的转换效率。

( b)