有机太阳能电池_-_太阳能电池_-_简介_(PPT)
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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)
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
因而目前 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:
激子阻挡层(BCP) LiF 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) 紫外臭氧处理 PEDOT:PSS 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
2009 《Nature Photonics》韩国光州科学技 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 %。) 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 量子效率高达90%。)
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
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 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3月27~30日)成功开发出了单元 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(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 最高水平)
(1)通过加大与n型(受主)有机半导体材料的能级(空 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 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%。
大日本印刷于2009年6月宣布, 5cm见方单元的 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。 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 于PET薄膜底板的卷对卷工艺的量产技术
有机太阳能电池的发展前景
当大多数新型太阳能电池还处在实验阶 段,其能效却已被不断夸大的时候,有机 材料太阳能电池能够降低发电成本的潜能 已经被实实在在地发掘并开始为人们所用, 因为这些有机材料的半导体可以被大量生 产并灵活运用于各个领域。 如今,世界各地的科学家和工程师们 都在努力发展这一技术以更早达到商业化 的目标。
德国Heliatek GmbH宣布,其有机薄膜 太阳能电池的转换效率达到了6.07%。 结构:低分子材料的串联结构。 目标:今后几年内使转换效率达到10 %。 (该公司将在2009年9月21~25日于德国汉 堡举办的太阳能电池技术国际会议)
2009年12月2日solarmer宣布,有机太阳能 电池转换率已经达到7.9%,为世界最高。 该公司10月份已经达到7.6%,之前其在 《nature photonics》2009年10月的一篇文章上 提到的效率为6.77%
结构:ITO(透明电极)/H2Pc/i层/C60/NTCDA/Ag(电极) Bulk Hetero结构
Konarka科技的有机薄膜太阳能电池“Power Plastic “(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 ”
材料分类 硅太阳能 无机化合物半导体太阳能(硫化镉-硫化亚铜, 砷化镓等) 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) 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) 激子(光照产生的是激子,有机小分子,染 料,多聚物)
D*
A
D
A*
光致电子转移:
D*+A——D++A-
D*
A
D+
A-
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:
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%
2007 《Science》Alan J. Heeger等 “使有机薄 膜太阳能电池的单元转换效率达到了全球最高 ――6.5%”。 结构:级联结构 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) p型:PEDOT:PSS, n型:PCBM与PCPDTBT的混合材料(750~ 800nm) PC70BM与P3HT的混合材料(500nm )
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
百度文库
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
中国对太阳能电池的研究起步于1958 年,20世纪80年代末期,国内先后引进了 多条太阳能电池生产线,使中国太阳能电 池生产能力由原来的3个小厂的几百kW一 下子提升到4个厂的4.5MW,这种产能一直 持续到2002年,产量则只有2MW左右。
全球太阳能电池产业1994-2004年10 年里增长了17倍,太阳能电池生产主要分 布在日本、欧洲和美国。 2006年全球太阳能电池安装规模已达 1744MW,较2005年成长19%,整个市场 产值已正式突破100亿美元大关。 2007年全球太阳能电池产量达到 3436MW,较2006年增长了56%
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
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) 异质结(砷化铝钾-砷化镓异质结) 肖特基(ms电池)现在发展成 mos电池
1986年,柯达公司的邓青云博士. 光电转化 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 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,Sariciftci在此 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 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)
科纳卡技术在2009年2月于日本举行的“PV EXPO 2009 第二届国际太阳能电池展”上展出了利用卷对卷方式 制造的多种有机薄膜太阳能电池模块。展示了利用柔性特 点封装于皮包中,或作为电子纸的电源加以利用的试制品
2009年6月18日英特尔研 发部门成果展示会 n型:富勒烯衍生物 p型:P3HT 结构:体异质结 特点:电极制成了梳 齿状,电子更易流动的, 提高体异质结构造规则性 控制 效率:2mm2面积效率 可达到6%,(此次1.8%~2 %) 目标:开发采用柔性 底板的技术
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。
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:
D*+A——D+A*
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)
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。
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 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 和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 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 率低得让人都不好意思提 。
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。
英国风险(G24i企业G24 Innovations )已从2007年10 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。
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%。 该p型有机半导体材料的要点为两个方面:
工作原理和影响因素
光子捕获吸收 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: 载流子 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)