聚合物太阳能电池-李永舫

Polymers
BiTVPTV3 P3HTV1 P3HTV2
1The
Voc (V)
0.48
Isc (mA/cm2)
2.27
FF
0.30
PCE (%)
0.32
0.51
0.51
1.24
1.30
0.31
0.32
0.21
0.26
device in this work with the weight ratio of P3HTV: PCBM = 1:1. 2 The device in our previous work22, where the weight ratio of P3HTV to PCBM was 1:2.
PCBM
主要给体和受体材料
太阳光谱和常用共轭聚合物吸收光谱的比较
我们研究的出发点
为提高聚合太阳能电池的能量转换效率：
（1）设计和合成在可见区具有宽吸收、高载流子迁移率和适当 电子能级的共轭聚合物给体和受体光伏材料。
（2）设计和合成具有高溶解度、高电子迁移率和适当LUMO能级
的新型富勒烯电子受体材料。 （3）设计和合成高效共轭有机分子光伏材料。
［Jianhui Hou, et al., Macromolecules, 2006, 39，4657-4662.］
Poly(thienothienylene vinylene) derivatives
1.27 2.32
FF (%)
0.34 0.34
PCE (%)
0.34 0.50
[L. J. Huo, et al., Macromol. Rapid Commun., 2009, 30, 925–931]
2. Poly(thienylene vinylene) derivatives
n-C12H25
Voltage(V)
Isc (mA/cm2) 7.11 8.74 10.3 9.9 FF (%) 36 43 43 41 PCE (%) 1.71 2.57 3.18 2.41
在AM1.5, 100 mW/cm2模拟太阳光下，P3器件的能量转换效率达到3.18% [Jianhui Hou, et al, J. Am. Chem. Soc., 2006, 128: 4911-4916. ]
［Erjun Zhou, et al., J. Phys. Chem. B, 2006, 110, 26062-26067]
nC
8
H
17
1.6
Absoption in PTZV-PT solution Absorption in PTZV-PT film Absorption of monomer 4
以 thienylene-vinyl 为共轭支链的聚噻吩乙 烯
* * S
C8H17-n S
S m:n 1.7 S
0.71
COTV1 COTV2 COTV3
0.32 *
C6H13 * S m S * n
TV
溶液吸收光谱
膜吸收光谱
外量子效率对比
Photovoltaic properties of the polymer solar cells based on the blend of polymer/PCBM (1:1, w/w) under the illumination of AM 1.5, 100 mW/cm2.
聚合物太阳能电池材料和器件
李永舫 中国科学院化学研究所 有机固体院重点实验室
北京 100190
E-mail: liyf@iccas.ac.cn
复旦大学1986年毕业博士生和导师合影
内容提要
•共轭聚合物给体光伏材料
•共轭聚合物受体光伏材料和全聚合物太阳能电池
•新型富勒烯衍生物受体材料 •D-A双缆型共轭聚合物光伏材料 •共轭聚合物/无机半导体纳晶共混型太阳能电池
hv ITO
LUMO
EF
h+
eMetal
EF
HOMO
4.9eV
MEH-PPV
HOMO
6.1eV
效率<1% •电荷分离限于双层的接触 界面上，共轭聚合物中激 发子传输距离<10nm •接触界面的面积受到限制
[N.S. Sariciftci, et al., Synth. Met. 59 (1993) 333; Appl. Phys. Lett. 62 (1993) 585].
[Yingping Zou, et al., Macromolecules, 2007, 40: 7231-7237 ]
烷硫基取代聚噻吩衍生物
1.0
Absorbance (a.u.)
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 300 400 500 600
Absorbance (a.u.)
P3HT P3HOT P3HST P3HST-co-Th
Emission spectrum of the sun AM1.5 Absorption spectrum of MDMO-PPV Absorption spectrum of P3AT
MDMO-PPV
MEH-PPV
S
n
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
P3HT
Wave Length [µ m]
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
P3HT P3HOT P3HST P3HST-co-Th
700
800
300
400
500
600
700
800
900
Wavelength / nm
Wavelength / nm
Solution absorption in chloroform
Film absorption
本体异质结型聚合物太阳能电池
bulk heterojunction polymer solar cell
(a) 器件结构 (b) 开路下的能级图 (c) 短路下的能级图 [G. Yu, J. Gao, J. C. Hummelen, F. Wudl, A. J. Heeger, Science, 270(1995), 1780.]
该论文2008年入选第一届中国百篇最具影响的优秀国际学术论文。
n-C12H25 S m:n 1:0 * n* * S S m S S 0.99 * n 0.59 P1 P2 P3
S
P3HT
2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 P1 P2 P3 P3HT Compound 6
Absorbance(10 /nm)
2
P3HT P1 P2 P3
-2
Current (mA)
0.1 mA
300
400
500
600
700
800
-3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5
+
Wavelength (nm)
1.0
Potential (V vs Ag/Ag )
吸收光谱
b
1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 300 400 500 600
吸收光谱
a. 溶液
-2
b. 膜
700
600
700
800
Wavelength (nm)
Wavelength (nm)
[Jianhui Hou, et al, Macromolecules, 2006, 39: 594-603]
光伏特性
Polymers 2D-PT-TThV0 2D-PT-TThV10 2D-PT-TThV20 2D-PT-TThV30 2D-PT-TThV40 Voc (V) Isc(mA/cm2) 0.68 0.58 0.73 0.74 0.63 3.80 6.58 6.85 5.69 6.42 FF(%) 34 39 38 39 36 PCE(%) 0.87 1.47 1.91 1.65 1.47
聚合物太阳能电池
优点：
1. 低价、易制备（旋转涂膜、丝网印刷、
打印等等）
2. 可制成柔性器件 3. 重量轻
Russell Gaudiana and Christoph Brabec Nature Photonics, 2008, 2, 287
D－A双层聚合物太阳能电池
2.8eV
LUMO
C60
3.7eV
（4）实现无机半导体纳晶电子受体材料的尺寸和形貌的可控合
成，制备聚合物／无机半导体纳晶共混型聚合物太阳能电池。
共轭聚合物给体光伏材料
1. 在可见区具有宽吸收的带共轭支链的聚噻吩 和聚噻吩乙烯衍生物
R R
R
2
R
2
S S
n
S
n
S
n
S
S
n
S
S
x
S x=0.52
1-x
n
P3HT
R
1
2
3 R=2-ethylhexyl
以 terthiophene-vinyl 为共轭支链的聚噻吩
S S S S S x=10% x=20% x=30% x=40%
1-x
S S
x n
2DTPT-TTh10 2DTPT-TTh20 2DTPT-TTh30 2DTPT-TTh40
溶液吸收光谱
膜吸收光谱
空穴迁移率（ cm2/Vs ）：
2D-PT-TThV10： 1.16×10-4 2D-PT-TThV20： 6.35×10-4 2D-PT-TThV30： 3.48×10-4 2D-PT-TThV40： 4.27×10-5
N S
absorbance (a.u.)
1.2
0.8 0.4
S S
n
PTZV-PT
0.0 300 400 500 600 700
Hole mobility: SCLC method: 4.7 × 10-3 cm2 V-1s-1 FET mobility: 6.8 × 10-3 cm2V-1s-1
Wavelength (nm)
IPCE (%)
50 40 30 20 10 0 400 450 500 550 600 650 700
(a) IPCE curve
Wavelength (nm)
Polymers P1 P2 P3 P3HT Voc (V) 0.66 0.69 0.72 0.60
(b) I-V curves
0.25 0.50 0.75 1.00
1.0
Potential (V vs Ag/Ag+)
Table Photovoltaic Properties of the PSCs based on P3HST and P3HST-co-Th.
Polymers
P3HST P3HST-co-Th
Voc (V)
0.63 0.63
Isc (mA/cm2)
2
C12H25-n
0.35
Y.F. Li, Y.P. Zou, Adv. Mater., 2008, 20, 2952-2958.
以 phenylene-vinyl 为共轭支链的聚噻吩
O
O
O
O
O2N
ห้องสมุดไป่ตู้
O
O
2
O
2
*
S
* n
*
S
* n
*
S S
* n *
S S
* n
*
S
* n
*
S S
x
S S
1-x
*
n
PEHPVT PMEHPVT
0.6
0.4
Current (mA)
P3HT P3HOT P3HST P3HST-co-Th
HOMO energy levels (eV) P3HT P3HOT P3HST P3HST-co-Th -4.79 -4.29 -4.90 -5.02
0.2
0.0
-0.2
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
聚合物太阳能电池光伏材料电子能级对光伏性能的影响
聚合物太阳能电池面临的问题：
能量转换效率较低 (最高效率 2003年3％，2004年3.8%，2005年5% 左右，2007年6%, 2009年6.77％) ，主要是由于： 1. 共轭聚合物只能吸收部分太阳光（太阳光的利用率低）。 2. 共轭聚合物的电荷载流子迁移率低。
4
S
S
S
3
H 17 C8 n N S
S S
n
2
R
S S 5 R= C8H17 R=C12H25
n
S
m
S
m:n 1:0
S
n
S S
1-x S
S
x n
6
x=10% x=20% x=30%
9 10 11 12
0.99 7 0.59
8 R
S S S 13
n
m: n n 1.7
0.63
m
14 15 16
R= S
循环伏安图
ITO/PEDOT/P3:PCBM (1:1 w/w)/Mg/Al
ITO/PEDOT:PSS(30nm)/Active layer(1:1,80nm)/Mg(10nm)/Al(150nm)
80 70 60
P1 P2 P3 P3HT
Current Density(mA/cm )
90
2
4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 0.00 P1 P2 P3 P3HT
Normalized absorption(A.U.)
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 300 400 500
PT1
PEHPVT PMEHPVT PT1 PT2 PT3 PT4
PT2
1.4
PT3
PT4
PEHPVT PMEHPVT PT1 PT2 PT3 PT4 P3HT
x=0.52
a
Absorbance (10 /nm)