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有機(jī)光伏電池
閱讀�5410時間�2017-10-31 09:16:13

  有機(jī)太陽�電池�20世紀(jì)90年代�(fā)展起來的新型太陽能電�,它是以有機(jī)半導(dǎo)�作為實現(xiàn)光電�(zhuǎn)換的活性材料。與無機(jī)太陽能電池相�,它具有成本低、厚度薄、質(zhì)量輕、制造工藝簡�、可做成大面積柔性器件等�(yōu)�(diǎn),具有廣闊的�(fā)展和�(yīng)用前�,已成為�(dāng)今新材料和新能源�(lǐng)域最富活力和生機(jī)的研究前沿之一�

簡介

  有機(jī)太陽能電池是成分全部或部分為有機(jī)� 的太陽能電池 ,他們使用了�(dǎo)電聚合物 或小分子用于光的吸收和電� �(zhuǎn)�。有�(jī)物的大量制備、相對價格低�,柔軟等性質(zhì)使其在光伏應(yīng)用方面很有前�。通過改變聚合物等分子的長度和官能�(tuán)可以改變有機(jī)分子的能�,有�(jī)物的摩爾消光系數(shù) 很高,使得少量的有機(jī)物就可以吸收大量的光�
  相對于無�(jī)太陽能電�,有�(jī)太陽能電池的主要缺點(diǎn)是較低的能量�(zhuǎn)換效率,�(wěn)定性差和強(qiáng)度低�

有機(jī)材料

  太陽能電池是一個特別的半導(dǎo)體二極管,它可能將可見光能轉(zhuǎn)化為直流�,一些太陽能電池可能�(zhuǎn)化紅外和紫外光的能量為直流電�
  通常用于有機(jī)光伏電池的材料都是有大量共軛鍵的,共軛鍵是由交替碳碳單鍵和雙鍵組成的,共軛鍵的電子的簡并軌道是離域的,形成了離域成鍵軌道π軌道和反鍵軌道π*。離域π鍵是占據(jù)軌道(HOMO),反鍵軌道π*是未占據(jù)軌道(LUMO)。HOMO和LUMO的能級差被認(rèn)為是有機(jī)電子材料的[帶隙],帶隙一般在1-4?eV�
  �(dāng)這些材料吸收了一個光�,就形成了激�(fā)�(tài),并被局限在一個分子或一條聚合物的鏈,激�(fā)�(tài)可以被看作是在靜電力作用�(jié)合的一個電子和空穴,也就是激�(fā)�,簡稱激�。在光伏電池�,激子在不同物質(zhì)的異�(zhì)�(jié)形成的有效場中成為自由的電子空穴�,有效場使電子從吸光體(也就是電子給體)的導(dǎo)帶降到受體分子的�(dǎo)帶上從而破壞了激子,因此電子受體材料的導(dǎo)帶邊�,也就是它的LUMO必須低于吸光體材��

分類原理

  有機(jī)太陽能電池是以有�(jī)半導(dǎo)體材料作為光電轉(zhuǎn)換材料直接或間接將太陽能�(zhuǎn)�?yōu)殡娔艿钠�?。有�(jī)半導(dǎo)體材料主要包括有�(jī)高分子材�、有�(jī)小分子材料,從廣義的角度來說,凡是涉及有�(jī)半導(dǎo)體材料的太陽能電池都可稱為有�(jī)太陽能電�。各類有�(jī)太陽能電池的激子分離和電荷傳輸?shù)臋C(jī)理具有很大的不同,因而有�(jī)材料在該類電池中的作用也有很大差��
  按照�(jié)�(gòu)和光伏機(jī)�,有�(jī)太陽能電池可分為肖特基有�(jī)電池、異�(zhì)�(jié)有機(jī)電池和染料敏化電�;按照使用材料的物理狀�(tài),有�(jī)太陽能電池也可分為染料敏化電池和全固�(tài)有機(jī)太陽能電�,全固態(tài)有機(jī)太陽能電池又可以分為有機(jī)小分子太陽能電池和有�(jī)聚合物太陽能電池�
  肖特基電�
  肖特基電池是最早期的有�(jī)太陽能電池,即在真空條件下把有機(jī)半導(dǎo)體染料如酞菁等蒸鍍在基板上形成夾心式單層�(jié)�(gòu)。對于肖特基型電池而言光激�(fā)形成的激子,在肖特基�(jié)的擴(kuò)散層�(nèi)被節(jié)區(qū)的電場驅(qū)使下實現(xiàn)正負(fù)電荷分離;在器件中其它位置上形成的激�,必須先移動到擴(kuò)散層�(nèi)才可能形成對光電流的貢獻(xiàn),而有�(jī)染料�(nèi)激子的遷移距離相當(dāng)有限,通常�10nm,因此大多數(shù)激子在分離成電子和空穴之前就發(fā)生了�(fù)�,導(dǎo)致該類器件的光電�(zhuǎn)換效率較�
  異質(zhì)�(jié)有機(jī)太陽�
  異質(zhì)�(jié)有機(jī)太陽能電池分為雙層異�(zhì)�(jié)電池、體異質(zhì)�(jié)太陽能電池和�(kuò)散雙層異�(zhì)�(jié)電池等幾種較常見的結(jié)�(gòu),其中體異質(zhì)�(jié)太陽能電池是目前有機(jī)聚合物太陽能電池研究中最主要的器件結(jié)�(gòu)。體異質(zhì)�(jié)�(jié)�(gòu)簡單說就是將施主材料和受主材料混合分布在同一層中,從而大大增加了施主/受主界面的面�,使得激子能夠運(yùn)動非常短的距離就可以得到有效分離。另一方面,將兩種材料混合在一起之后,若其中一種材料具有良好的成膜�,則可通過旋涂、噴墨打印等方式制備活性層,不需真空過程,可很大程度上簡化器件的制備過程,大幅降低器件成��
  染料敏化太陽能電�
  染料敏化太陽能電池主要是模仿光合作用原理,以TiO2,ZnO,SnO2等寬禁帶的氧化物型納米級半導(dǎo)體為電極,使用染料敏�、無�(jī)窄禁帶半�(dǎo)體敏化、過渡金屬離子摻雜敏�、有�(jī)染料/無機(jī)半導(dǎo)體復(fù)合敏化以及TiO2表面沉積貴金屬等方法制成的太陽能電池。目前染料敏化太陽能電池的效率已�(jīng)�11%,這種電池的突出優(yōu)�(diǎn)是原材料豐富、成本低、工藝技�(shù)相對簡單,在大面積工�(yè)化生�(chǎn)中具有較大的�(yōu)勢,同時所有原材料和生�(chǎn)工藝都是無毒、無污染的,部分材料可以得到充分的回�,對保護(hù)人類�(huán)境具有重要的意義。但是由于其有源層呈液態(tài),易泄漏、易�(jié)�,故人們的研究方向逐步�(zhuǎn)向全固態(tài)有機(jī)太陽能電池,即以酞菁、卟�、芘、葉綠素等為基體材料的有�(jī)小分子太陽能電池和以有機(jī)聚合物為基體材料的有�(jī)聚合物太陽能電池。而按照有�(jī)半導(dǎo)體層材料的差�,全固態(tài)有機(jī)太陽能電池又可分單層(單一有機(jī)或聚合物材料)結(jié)�(gòu)、雙層(給體,受體)異質(zhì)�(jié)�(jié)�(gòu)和本體(給體/受體共混)異�(zhì)�(jié)�(jié)�(gòu)。最初的全固�(tài)有機(jī)太陽能電池都是單層結(jié)�(gòu),即肖特基電�;雙層和本體(給�/受體共混)異�(zhì)�(jié)�(jié)�(gòu)即上面所提到的異�(zhì)�(jié)太陽能電��

�(yōu)�(diǎn)

  相對于無�(jī)太陽能電�,有�(jī)太陽能電池具有如下優(yōu)�(diǎn)�
 ?�?)與無機(jī)太陽能電池使用的材料相比,有�(jī)半導(dǎo)體材料的原料來源廣泛易得、廉價,�(huán)境穩(wěn)定性高,有良好的光伏效�(yīng)、材料質(zhì)量輕、較高的吸收系數(shù)(通常�105cm-1�、有�(jī)化合物結(jié)�(gòu)可設(shè)計且制備提純加工簡便、加工性能�,易�(jìn)行物理改性等�
  �2)有�(jī)太陽能電池制備工藝更加靈活簡�,可采用真空蒸鍍或涂敷的辦法制備成膜,還可采用印刷或噴涂等方�,生�(chǎn)中的能耗較無機(jī)材料更低,生�(chǎn)過程對環(huán)境無污染,且可在柔性或非柔性襯底上加工,具有制造面積大、超�、廉�、簡易、良好柔韌性等特點(diǎn)�
 ?�?)有�(jī)太陽能電池產(chǎn)品是半透明�,便于裝飾和�(yīng)�,色彩可選�

缺點(diǎn)

  目前有機(jī)太陽電池的轉(zhuǎn)換效率較低且壽命�,尚未�(jìn)入使用階�,存在著載流子遷移率低、結(jié)�(gòu)無序、高的體電阻以及電池的耐久性差等問�,造成有機(jī)太陽能電池性能低下的原因主要有�
 ?�?)由于有�(jī)材料分子間相互作用力很弱,大都為無定型,即使有結(jié)晶度,也是無定型與結(jié)晶形�(tài)的混合,光照射后生成的光生載流子主要在分子內(nèi)的共軛價鍵上�(yùn)�,電荷的傳輸是通過載流子在相鄰的分子態(tài)之間�(jìn)行跳躍實�(xiàn)的,�(dǎo)致了有機(jī)材料的載流子遷移率一般都很低,與無機(jī)材料相比要低若干個量�,這對有機(jī)半導(dǎo)體器件的效率有較大影響;
 ?�?)有�(jī)半導(dǎo)體材料吸收太陽光波段不寬,絕大部分材料吸收波段在350nm�650nm,而地球表面可吸收的太陽光的能量主要分布在600nm�800nm,因此吸收光譜與太陽光光譜不匹配,導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率低;如果通過增加激活層的厚度來提高光的吸收,但同時也會使器件的串聯(lián)電阻增大激子和載流子的遷移距離增加,短路電流減�,從而導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率較��
 ?�?)有�(jī)半導(dǎo)體在吸收太陽光后會產(chǎn)生束縛的空穴-電子對——“激子”,激子的分離與遷移并非全部有�,首先其�(kuò)散距離短,通常僅約�10nm,其次激子分離后�(chǎn)生的電子和空穴在一般有�(jī)材料中的傳輸速率不高,傳�?shù)倪^程中往往會受到電子和空穴�(fù)合的影響,并且電子和空穴傳輸?shù)诫姌O表面�(jìn)入電極時通常要克服一個勢�,這樣激子在半導(dǎo)體薄膜的遷移過程中就不可避免的存在著激子復(fù)合的損失,一般僅離邊界或�(jié)�(diǎn)最近的激子才會產(chǎn)生光伏電�,使得有�(jī)太陽能電池實際轉(zhuǎn)化效率低下;
 ?�?)有�(jī)半導(dǎo)體材料在有氧和水存在的條件下往往是不�(wěn)定的�

�(fā)展前�

  目前光伏電池研究的方向是開發(fā)高效低成本的電池材料和制造技�(shù)�
  有機(jī)聚合物光伏電池采用共軛聚合物作為光伏材料,制作工藝簡�、成本低�,可大面積制�,這使得有�(jī)聚合物光伏電池的研究越來越受到重視。雖然聚合物光伏電池的研究在最近幾年取得了顯著的發(fā)�,但其光電轉(zhuǎn)換效率仍很低,只有得到高效率、性能�(wěn)定的光伏電池,才能實�(xiàn)聚合物光伏電池的商業(yè)��
  對于有機(jī)聚合物光伏電池效率的提高可以通過材料的選擇和器件�(jié)�(gòu)的優(yōu)化來實現(xiàn)。另外從理論上就器件中激活層的厚�、給體受體所形成的微觀�(jié)�(gòu)對光電流、激子分裂效率的影響,電池的串、并�(lián)電阻對電池的伏安特性的影響等�(jìn)行模擬分�,也為獲得高�(zhuǎn)換效率的有機(jī)光伏電池提供了一個重要途徑�

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