有机太阳能电池_-_太阳能电池_-_简介ppt课件
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11
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
12
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
13
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）
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)
2009.12.22
有机太阳能电池
景广华
1
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
2
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
3
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
20
电子交换能量转移（dexter能量转移）
D*
A
D
A*
21
光致电子转移：
D*+A——D++A-
D*
A
D+
A-
22
D+A*——D++A-
wenku.baidu.com
D
A*
D+
A-
23
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。
24
器件结构和性能改善
25
器件基本结构：
26
其他常见结构：
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 。
10
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。
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。
38
39
40
41
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
17
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）
18
光化学和光物理过程
19
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*
体异质结太阳能电 池内部结构
31
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
32
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
33
34
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。
激子阻挡层（BCP） LiF PEDOT：PSS 碳纳米管 影响：短路电流，填充因子
42
43
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
27
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%
28
2009年4月26日《nature photonics》上的高效单结电池
29
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
30
染料敏化太阳能 示意图
6
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)
7
材料种类
8
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。
9
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 。
产生了自由电子－空穴对
和空穴的积累
4
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
5
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)
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。
35
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
36
37
新分子的采用和分子改造
14
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
15
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
16
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。
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
12
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
13
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）
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)
2009.12.22
有机太阳能电池
景广华
1
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
2
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
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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
20
电子交换能量转移（dexter能量转移）
D*
A
D
A*
21
光致电子转移：
D*+A——D++A-
D*
A
D+
A-
22
D+A*——D++A-
wenku.baidu.com
D
A*
D+
A-
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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。
24
器件结构和性能改善
25
器件基本结构：
26
其他常见结构：
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 。
10
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。
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。
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39
40
41
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
17
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）
18
光化学和光物理过程
19
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*
体异质结太阳能电 池内部结构
31
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
32
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
33
34
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。
激子阻挡层（BCP） LiF PEDOT：PSS 碳纳米管 影响：短路电流，填充因子
42
43
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
27
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%
28
2009年4月26日《nature photonics》上的高效单结电池
29
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
30
染料敏化太阳能 示意图
6
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)
7
材料种类
8
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。
9
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 。
产生了自由电子－空穴对
和空穴的积累
4
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
5
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)
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。
35
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
36
37
新分子的采用和分子改造
14
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
15
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
16
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。