聚合物太阳电池简介教材
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
结构：单结、Bulk Hetero结构 特点：425～575nm时，内部量子效率高达90％
➢聚合物太阳电池简介
Prof. Yang报道串联聚合物太阳
能电池效率达8.6％
带隙：1.44ev
串型太阳能电池的多层结构
Nature Photonics, 2012, 6, 180
➢聚合物太阳电池特点
1、有机太阳能电池的优势
6
➢聚合物太阳电池简介
研究人员在异质结太阳能电池的基础上又提出了一个重要的概念：体异质结 （Bulk Heterojunction）
将给体材料和受体材料混合起来，通过共蒸或者旋涂的方法制成一种混合薄膜。 给体和受体在混合膜里形成一个个单一组成的区域，在任何位置产生的激子，都可 以通过很短的路径到达给体与受体的界面，从而电荷分离的效率得到了提高。同时， 在界面上形成的正负载流子亦可通过较短的途径到达电极，从而弥补载流子迁移率 的不足。
塑料可以导电 吗？
马克迪尔米德
白川英树
黑格
白川英树，（1936年－），日本著名 化学家，因成功开发了导电性高分子 材料而成为2000年诺贝尔化学奖三名 得主之一（另两位是：美国加利福尼 亚大学圣巴巴拉分校教授艾伦·黑格和 美国宾夕法尼亚大学教授艾伦·马克迪 尔米德）。
白川英树
➢聚合物太阳电池简介
优势：异质结结构明显的提高了激子分离的效率。电子从受激分子的HOMO能级 注入到电子受体的LUMO能级，实现激子的分离。因此，激子可以同时在双层膜 的界面两侧形成，再通过扩散可以较容易地到达两种材料的界面上得到分离。
➢聚合物太阳电池简介
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。
高分子材料的禁带宽度Eg相较于无机半导体材料要大的多。有机高 分子的光生载流子不是直接通过吸收光子产生，而是先产生激子，然后 再通过激子的离解产生自由载流子，这样形成的载流子容易成对复合， 最后使光电流降低。
➢聚合物太阳电池问题
共轭聚合物掺杂均为高浓度掺杂。这样虽然能保证材料具有较高的 电导率，但载流子的寿命与掺杂浓度成反比，随着掺杂浓度的提高，光 生载流子被陷阱俘获的概率增大，导致电池的光电转换效率很小。
聚合物太阳能电池主要是利 用高聚物来直接或间接将太 阳能转变为电能的器件。
有机太阳能电池材料：根据电荷的传输 • 有机空穴传输材料（P型,电子给体简称为D，即Donor） • 有机电子传输材料（N 型，电子受体，简称为A，即Acceptor）
➢聚合物太阳电池简介
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。该器件获到了200mV 的开路电压，光电转化效率较低。此后二十多年间，有机太阳能电池领域内的创新 不多，所有报道器件之结构都类似于1958年版，只不过是在两个功函数不同的电 极之间换用各种有机半导体材料。
➢聚合物太阳电池简介
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％”
关键：在两个太阳能电池单元之间夹了一层TiOx (钛氧化物材料)
➢聚合物太阳电池简介
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％。
（1）制备工艺相对简单，制作时消耗能量少 （2）环保性好，其构成成分均为容易处理的材料
（3）适应性强，高温和弱光条件下的优异 （4）可制成半透明器件，柔性器件等等形式灵活多样的器件
（5）有机物来源广泛，效率提升潜力大
2、有机太阳能电池的劣势
（1）有机材料载流子迁移率低 （2）能量转换效率有待提高 （3）器件寿命短 （4）目前无法实现大规模商业化 （5）难于大规模并网发电
肖特基电池：激子的分离效率低。光激发形成的激子，只有在肖特基结的扩散层内， 依靠节区的电场作用才能得到分离。而有机染料内激子的迁移距离相当有限，通常4 小于10nm。
➢聚合物太阳电池简介
1986年，柯达公司的邓青云博士制备了四羧基苝的一种衍生物（PV）和铜酞菁 （CuPc）组成的双层膜异质结器件，用两种有机半导体材料来模仿无机异质结太阳 能电池，光电转化效率达到1％左右。这种双层膜异质结的结构至今仍然是有机太 阳能电池研究的重点之一。
有机物本身易与ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ和空气起反应，以及其光化学稳定性较差都是影 响其效率的重要因素。 （2）光伏器件制作工艺
电极的选取；半导体表面和前电极的反射；掺杂层复合材料相分离 的互穿网络的微观结构；制作过程中的氧气和水分的影响以及器件的封 装。
➢聚合物太阳电池问题
虽然有机太阳能电池具有廉价、易于加工、可大面积成膜等优点， 但与无机硅太阳电池相比，在转换效率、光谱响应范围、电池的稳定性 方面，有机太阳电池相比无机还有很大的差距。分析原因主要是由于： (1)有机物材料本身所具有的缺陷
高分子材料大都为无定型，即使有结晶度，也是无定型与结晶形态 的混合，分子链间作用力较弱。使得高分子材料载流子的迁移率一般都 很低。
➢聚合物太阳电池简介
Prof. Yang报道串联聚合物太阳
能电池效率达8.6％
带隙：1.44ev
串型太阳能电池的多层结构
Nature Photonics, 2012, 6, 180
➢聚合物太阳电池特点
1、有机太阳能电池的优势
6
➢聚合物太阳电池简介
研究人员在异质结太阳能电池的基础上又提出了一个重要的概念：体异质结 （Bulk Heterojunction）
将给体材料和受体材料混合起来，通过共蒸或者旋涂的方法制成一种混合薄膜。 给体和受体在混合膜里形成一个个单一组成的区域，在任何位置产生的激子，都可 以通过很短的路径到达给体与受体的界面，从而电荷分离的效率得到了提高。同时， 在界面上形成的正负载流子亦可通过较短的途径到达电极，从而弥补载流子迁移率 的不足。
塑料可以导电 吗？
马克迪尔米德
白川英树
黑格
白川英树，（1936年－），日本著名 化学家，因成功开发了导电性高分子 材料而成为2000年诺贝尔化学奖三名 得主之一（另两位是：美国加利福尼 亚大学圣巴巴拉分校教授艾伦·黑格和 美国宾夕法尼亚大学教授艾伦·马克迪 尔米德）。
白川英树
➢聚合物太阳电池简介
优势：异质结结构明显的提高了激子分离的效率。电子从受激分子的HOMO能级 注入到电子受体的LUMO能级，实现激子的分离。因此，激子可以同时在双层膜 的界面两侧形成，再通过扩散可以较容易地到达两种材料的界面上得到分离。
➢聚合物太阳电池简介
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。
高分子材料的禁带宽度Eg相较于无机半导体材料要大的多。有机高 分子的光生载流子不是直接通过吸收光子产生，而是先产生激子，然后 再通过激子的离解产生自由载流子，这样形成的载流子容易成对复合， 最后使光电流降低。
➢聚合物太阳电池问题
共轭聚合物掺杂均为高浓度掺杂。这样虽然能保证材料具有较高的 电导率，但载流子的寿命与掺杂浓度成反比，随着掺杂浓度的提高，光 生载流子被陷阱俘获的概率增大，导致电池的光电转换效率很小。
聚合物太阳能电池主要是利 用高聚物来直接或间接将太 阳能转变为电能的器件。
有机太阳能电池材料：根据电荷的传输 • 有机空穴传输材料（P型,电子给体简称为D，即Donor） • 有机电子传输材料（N 型，电子受体，简称为A，即Acceptor）
➢聚合物太阳电池简介
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。该器件获到了200mV 的开路电压，光电转化效率较低。此后二十多年间，有机太阳能电池领域内的创新 不多，所有报道器件之结构都类似于1958年版，只不过是在两个功函数不同的电 极之间换用各种有机半导体材料。
➢聚合物太阳电池简介
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％”
关键：在两个太阳能电池单元之间夹了一层TiOx (钛氧化物材料)
➢聚合物太阳电池简介
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％。
（1）制备工艺相对简单，制作时消耗能量少 （2）环保性好，其构成成分均为容易处理的材料
（3）适应性强，高温和弱光条件下的优异 （4）可制成半透明器件，柔性器件等等形式灵活多样的器件
（5）有机物来源广泛，效率提升潜力大
2、有机太阳能电池的劣势
（1）有机材料载流子迁移率低 （2）能量转换效率有待提高 （3）器件寿命短 （4）目前无法实现大规模商业化 （5）难于大规模并网发电
肖特基电池：激子的分离效率低。光激发形成的激子，只有在肖特基结的扩散层内， 依靠节区的电场作用才能得到分离。而有机染料内激子的迁移距离相当有限，通常4 小于10nm。
➢聚合物太阳电池简介
1986年，柯达公司的邓青云博士制备了四羧基苝的一种衍生物（PV）和铜酞菁 （CuPc）组成的双层膜异质结器件，用两种有机半导体材料来模仿无机异质结太阳 能电池，光电转化效率达到1％左右。这种双层膜异质结的结构至今仍然是有机太 阳能电池研究的重点之一。
有机物本身易与ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ和空气起反应，以及其光化学稳定性较差都是影 响其效率的重要因素。 （2）光伏器件制作工艺
电极的选取；半导体表面和前电极的反射；掺杂层复合材料相分离 的互穿网络的微观结构；制作过程中的氧气和水分的影响以及器件的封 装。
➢聚合物太阳电池问题
虽然有机太阳能电池具有廉价、易于加工、可大面积成膜等优点， 但与无机硅太阳电池相比，在转换效率、光谱响应范围、电池的稳定性 方面，有机太阳电池相比无机还有很大的差距。分析原因主要是由于： (1)有机物材料本身所具有的缺陷
高分子材料大都为无定型，即使有结晶度，也是无定型与结晶形态 的混合，分子链间作用力较弱。使得高分子材料载流子的迁移率一般都 很低。