酞菁类化合物在太阳电池中的应用

将 高分 子金属酞菁溶 液在清洁 的 ｎ型 ｓ ｉ 片上 成膜 ， 然后 真 空 蒸 镀 梳 型金 电极 即制 成 金 属 酞 菁 聚 合 物硅 太 阳 电池 Ａ ｕ ／ Ｐ ＭＰ ｃ ／ ｎ ． Ｓ ｉ ／ Ａ ｕ 【 ， 其结构如 图 ２所永 。
构为： 玻璃 ／ 金属 电极 ／ 染料 ／ 金属 电极 。受结构的影响 ， 其吸 收光谱 的 面较窄 ； 其欧姆 接触是 Ａｌ 与Ｉ ｎ等形成 的 ， 造成稳 定 性差 ， 光通过金属结构 的透过率低 ． ．
Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｐ ｈ ｔ ｈ ａ ｌ ｏ ｃ ｙ ａ ｎ ｉ ｎ ｅ ｓ ｉ ｎ ｂ ａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｙ
ＹＩ Ｎ Ｈｕ ａ ｎ － ｓ ｈ ｕ ｎ ，Ｗ ＡＮＧ Ｊ ｉ ａ ｎ — ｍｉ ｎ ，ＬＩ Ｕ Ｌ ｉ ｆ Ｊ ．Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｅ ｍｉ ｓ ｔ ｒ ｙ ａ ｎ ｄ Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｄ ｏ ｎ ｇ Ａｇ ｒ ｉ ｃ ｕ ｌ ｔ ｕ ｒ ｅ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｔ ａ ｉ ＇ ａ ｎ Ｓ ｈ ａ ｎ ｄ ｏ ｎ ｇ ２ ７ １ ０ １ ８ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；
ｐ － ｎ 异质结型是 由 Ｐ型 半导体 和 ｎ型半 导体 材料 接触而
形成的光 电器件 ， 能够 克服 肖特基 势垒型电池的缺陷。该电池
电 极
／
０
５ ，
的构造为 ： 玻璃 ／ Ｉ Ｔ Ｏ ／ ｎ 一 染料／ ｐ ． 染料 ／ 金属 电极 。与 肖特基势 垒型 电池相 比， 有机ｐ ． ｎ异质结 型光 电池有许多诱 人的特点 ： 对有 机材料 的合理选 择可 以制造 出宽 光谱范 罔响应 的器件 ； 各种各 样染料 的电子施主 受主相互作 用使得光生 带电载流 子的高产率成为可能 。基 ｆ此 ， ｐ － ｎ异质结型 己成 为研究太 阳
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酞菁类化合物在太 阳电池 中的应用
殷 焕 顺 ， 汪 建 民 ， 刘 黎
（ １ ． 山东农 业大学 化学 与材料科学学 院 ， 山东 泰安 ２ ７ １ ０ １ ８ ；２ ． 南开大学 新能源 材料研 究所 ， 天津 ３ ０ ０ ０ ７ １ ） 摘要 ： 有机太阳电池与无机太阳电池相 比， 还存在许 多关键性 问题。 为 了改善有机太 阳电池的性能。 尤其是转换效率， 研 究 了掺杂 、 敏 化、 施主 一受主共轭体 系以及开发 多层结构 电池和创 造新型光伏材料 。酞菁 类化合物作为新兴的功能材料 已经得到 了广泛的研究 ， 作为敏化 染料 。 酞菁能够增加光 生载 流子 ， 有效提高 光电转换效 率。综述 了太 阳电池的工 作原 理， 酞菁 类化合物作 为功 能材 料在 肖特基型 电池 、 Ｐ — ｎ异质 结型 、 纳米 晶体 光电池 的应用进展。 关键词 ： 太阳电池 ： 酞菁 ； 转换效率 中图分类号 ： Ｔ Ｍ ９ １ ４ 。 ４ 文献标 识码 ： Ａ 文章 编号 ： １ ０ ０ ２ — ０ ８ ７ Ｘ （ ２ ０ ０ ６ ） １ １ — ０ ９ ４ ０ — ０ ３
电 池 的一 种 基 本 形 式 。
●
一 最 有 捕
ｈ
受 主
施主 空 穴
ｅ — — 受 激 发 的 电 子 ：ｈ 一
图１ 有机太 阳电池工作原理
Ｆ ｉ ｇ ． １ Ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｐ ａ ｌ ｄ ｉ ａ ｇ ｒ ａ ｍ ｏ ｆ ｏ ｒ ｇ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ ｏ ｌ ａ ｒ ｃ ｅ ｌ ｌ ｓ
２ 酞菁 类化合物在太 阳 电池 中的应用
有机太 阳电池有 ｉ种 基本形式 ： 肖特基 型 、 ｐ － ｎ异 质结型 、
Ｎ Ｐ Ｃ型。
外， 目前 已经在 电子元件 、 气体传感 器 、 催 化剂 、 电化学 、 光电
收稿 日期 ： ２ ０ ０ ６ — ０ ５ — １ １ 作者简 介： 殷焕顺 （ １ ９ ７ ９ 一 ） 。 男。 辽 宁省人 ， 讲师 。 硕士 ． 主 要研 究方向为无机 一高分子功能材料 。 Ｂ ｉ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｙ ： Ｙ Ｉ Ｎ Ｈ ｕ ａ ｎ － ｓ ｈ ｕ ｎ （ １ ９ ７ ９ －） ， ｍ ａ ｌ ｅ ， ｌ ｅ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｒ ， ｍ ａ ｓ ｔ ｅ ｔ ．
注入 、 使用 表面 等离子极 化激发 技术 、 模拟 光合作 用 、 合成 施
１ 太 阳 电 池 工 作 原 理
有机 太阳电池利用 的是光伏效 应 。有机太 阳电池在太 阳 光 的照射下有机 材料 吸收光子， 如果 该光子的能量大 于有 机材
料 的 禁带 宽 度 Ｅ ，就 会产 生激 子 。 图 ｌ 就是 给 体 ． 受 体 （ Ｄ ｏ ｎ ｏ ｒ － － － Ａ ｃ ｃ ｅ ｐ ｔ ｏ ｒ ） 结构 。受激发的 电子给体 吸收光子 ， 其最高
ａｉ ｒ ｎ的能量足 以满 足全球人类 １ ａ的需求 ， 而 且利用太 阳能还 可减少环境污染 。 自 １ ９ ５ ４年第 一块太 阳电池问世 以来 ， 太 阳
电池 已成 为空 间卫 星的基本 电源 和地面无 电 、少 电地 区及某
些特殊领域 的重要 电源 ， 并将 进 一步发 展成为 ２ １世纪世 界能 源舞 台上 的主要成 员之一 。 目前使用 的硅等 太阳电池材料， 成本 太高， 难 以大 规模 推 广， 并且硅 太阳电池的发展几乎 达到了技术极 限。 在 这种情况 下， 有机凝聚态太 阳电池 倍受关注～ 潜在 的低成本 ， 质量 轻 和分子水平上 的可设计性 。 为 了开发有机 太阳电池 ， 科研工作 者对各 种各样 的有机染 料 和半 导体 高聚物进 行 了广 ‘ 泛研 究 。 这些 研究 主要 是探求 设计 新 的材料（ 比如 掺杂 、 敏化 、 载 流子
ｍａｄ ｅ， ｔ ｈ ｏ ｕ ｇ ｈ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｉ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ａ ｒ ｅ ａ ｙ ｅ ｔ ｄ ｉ ｄ ｎ ｏ ｔ ｒ ｉ ｖ ａｌ ｔ ｈ ｏ ｓ ｅ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｅ ｄ ｉ ｎ ｏ ｒ ｇ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ ｏ ｌ ａ ｒ ｃ ｅ ｌ １ ． Ｐｈ ｔ ｈ ａ Ｉ Ｏ ｃ ｙ ａ ｎ ｉ ｎ ｅ ｓ ａ ｒ ｅ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｅ ｄ ｗｉ ｄ ｅ ｌ ｙ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｏ ｆ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｉ ｃ ｃ ｅ ｌ ｌ ａ ｓ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｓ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｚ ｅ ｄ ｄ ｙ ｅ． Ａ ｂ ｒ ｉ ｅ ｆ ｒ ｅ ｖ ｉ ｅ ｗ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｉ ｃ ｃ ｅ ｌ ｌ ｓ， ａ ｌ ｏ ｎ ｇ ｗｉ ｔ ｈ ｓ ｏ ｍｅ ａｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｉ ｒ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｐ ｈ ｔ ｈ ａ Ｉ Ｏ ｃ ｙ ａ ｎ ｉ ｎ ｅ ｉ ｎ Ｓｃ ｈ Ｏ ｔ ｔ ｋ ｙ — ｂ ａ ｒ ｒ ｆ ｅ ｒ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｉ ｃ ｃ ｅ ｌ ｌ ， Ｐ — ｎ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｉ ｃ ｃ ｅｌ ｌ ， ｎ ａ ｎ ｏ ｃ ｙｓ ｒ ｔ ａｌ ｌ ｉ ｎ ｅ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｖ ｏｌ ｔ ａ ｉ ｃ ｃ ｅ ｌ ｌ ａ ｒ ｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅｄ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： ｐ ｈ ｔ ｏ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｉ ｃ ｃ ｅ ｌ ｌ ； ｐ ｈ ｔ ｈ ａ ｌ Ｏ ｃ ｙ ａ ｎ ｉ ｎ ｅ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ｅ ｆｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｏ ｆ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｉ ｃ ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ｓ ｂ ａ ｓ ｅｄ ｏ ｎ ｐ ｈ ｔ ｈ ａ ｌ Ｏ ｃ ｙ ａ ｎ ｉ ｎ ｅ ａ ｎ ｄ ｐ ｈ ｔ ｈ ａ ｌ Ｏ ｃ ｙ ａ ｎ ｊ ｎ ｅ ｄ ｅ ｒ ｉ ｖ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｓ
２ ． １ 在 肖特 基 型（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｔ ｔ ｋ ｙ ） 电池 中的应 用
肖特基势 垒型 电池 是早期 太阳 电池研 究的重点 。电池结
２ ０ ０ ６ ． １ １ Ｖ ０ １ ． ３ ０ Ｎ ０ １ １
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２ ． ２在 ｐ — ｎ 异质结型太阳电池中的应用
２ ． Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｕ ｔ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｎ ｅ ｗＥ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙＭ ａ ｔ ｅ ｉ ｒ ａ ｌ Ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｓ ｔ ｙ， ｒ Ｎ ａ ｎ ｋ ａ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｔ ｉ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ３ ０ ０ ０ ７ １ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
占有轨道上 的一个 电子跃 迁到最低空轨 道，通 常 由于 给体最
高 占有轨道 的电离势 比受体最低空轨道 的电离势低 ， 电子就 由给体转移 到受体 ， 完成 了电子 的转 移。激子分离后产生 的电
子和夺穴 向相反 的方 向运动， 被收集在 相应的电极上 ， 就形成
了光电压 。
主一 受主共轭 高聚 物体 系［ １ １ 以及有 机与无 机 复合 ［ ２ ］ 等） 和设 计 新颖 的器件结构 。 酞菁类化合物 是一类多功 能材料 ，除 ＿ ｒ用作传统 的染料
能 源问题 是 当前世界 各 国经 济发展 中遇 到 的 首要 问题 ，
太 阳能是 未来最有希望 的能源 之一 ＿ １ ＿ 。太 阳照 射到地球 上 ４ ０
化学 、 光电转换 、 光 电导 、 电导材 料 、 有 机超 晶格 材料等方 面获 得 了实际应用 ［ ３ ］ 。酞菁类 化合 物作 为功能材料的研究 已经 引起 厂广大研究 工作者 的普遍 关注。 由于 酞菁类化合物 的原料 来 源广 泛 、 价格便 宜 、 化学 可变性 大 、 结构 稳定 、 共轭 程度高 ， 所 以在有机 太阳 电池研 究中 ， 酞菁 占有重要地位 。
ｓ ｕ ｃ ｈ ａ ｓ ｄ ｏ ｐ ｅ ｄ ， ｓ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｚ ｅ ｄ ｃ ， ｏ ｎ ｊ ｕ ｇ ａ ｔ ｅ ｄ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｏ ｆ ｄ ｏ ｎ ｏ ｒ — ａ ｃ ｃ ｅ ｐ ｔ ｏ ｒ ｅ ｔ ｃ ． Ａ ． ｎ ｄ ｇ ｒ ｅ ａ ｔ ｐ ｒ ｏ ｇ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ａ ｒ ｅ ａ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｅ ｎ
ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍｓ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｅ ｎ ｒ ｅ ｖ ｉ ｅ ｗｅ ｄ ． １ ｔ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｅ ｎ ｓ ｈ ｏ ｗｎ ｔ ｈ ａ ｔ ａ ｔ ｔ ｅ ｍｐ ｔ ｓ ａ ｒ ｅ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｗａ ｙ ｔ ｏ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ ｏ ｆ ｓ ｏ ｌ ａ ｒ ｃ ｅ ｌ ｌ