聚合物太阳能电池

摘要聚合物太阳能电池由于具有制备工艺简单、重量轻、造价低廉、容易制备大面积柔性 器件等优点得到了广泛的关注。目前聚合物太阳能器件的结构主要是本体异质结结构（BHJ） 结构。它的结构一般由以下部分组成：ITO阳极；PSS： PEDOT阳极涂层；光活性层（一 般是由给体单元（如P3HT）和受体单元（如PC60BM或PC70BM）组成）；金属阴极（如 A1）。基于P3HT和PCBM的太阳能电池的效率已经达到4-5%。虽然目前报道的聚合物太 阳能电池的最高能量转换效率已经达到了 7-8%，但是相对于无机半导体太阳能电池的效率 而言还相当低。为了提高其能量转换效率，对聚合物太阳能电池进行了深入的研究仍然有 很大的重要性。关键词：聚合物；太阳能电池；反应机理AbstractPreparation technology of polymer solar cells because of its simple, light weight, low cost, easy preparation of large-area flexible devices and so on has been widely concerned. Current structures of polymer solar devices are mainly bulk heterojunction structure (BHJ) structure. Its structure generally consists of the following parts: ITO anode; PSS:PEDOT anode coating; photo-reactive layer (generally by the donor cells (P3HT) and receptor cells (such as PC60BM or PC70BM); metal cathode (Al). P3HT and PCBM-based solar cell efficiency had reached 4-5%. While polymer solar cell energy conversion efficiency of coverage has reached will expand, but as opposed to inorganic semiconductor solar cell efficiency is quite low. In order to increase its efficiency of energy conversion, in-depth studies on polymer solar cells still have great importance.Key words：polymer ; solar battery ; mechanism of reaction目录第一章 绪论 4第一节 研究意义及背景 4第二节 聚合物太阳能电池的发展历程 4第二章 聚合物太阳能电池的机理 6第一节 聚合物太阳能电池的基本原理 7第二节 聚合物太阳能电池的结构 8第三节 聚合物太阳能电池的材料 11第三章 聚合物太阳能电池面临的困境及发展前景 14第一节聚合物太阳能电池面临的困境 14第二节最新进展 15第三节前景展望 16参考文献17致谢18第一章 绪论第一节 研究意义及背景近年来，对化石能源的过度开发和利用导致全球性的能源匮乏不足，许多地方冲突甚至局部战争其 本质就是对能源的争夺。不仅如此，对化石能源的开发利用所导致的各种污染、温室效应等环境问题也 越加明显。在环境危机，能源危机日渐严重的今天，寻找一种干净清洁的能源是当务之急。而在各种可 再生能源中，太阳能就是其中的最干净、清洁的一种。从某种意义来说，太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁干净的能源，如何利用好太阳能，将其转 化为我们所需要的电能和热能，是科学家们研究的目标。而其中太阳能电池能够直接将太阳能转化为电 能，所以太阳能电池是各国科学家的主要研究方向。目前来说，太阳能电池的主流还是以硅基和其他无机金属化合物为材料制作的。不过因为无机太阳 能电池的光电转换效率已达到极限，再做进一步提高近乎不可能；而单晶硅电池由于其材料价格和相当 繁琐的提纯工艺，所以其成本价格居高不下；无机太阳能电池生产工艺复杂，生产设备昂贵也导致其价 格很难下降。正是这些原因的影响，所以说，无机太阳能电池无法大规模民用商业化的程度。基于此，以有机聚合物来替代无机材料是现在才开始的一个制造太阳能电池的研究方向。由于有机 材料制作容易，柔性好，材料来源广泛，成本低等优势，从而对大范围利用太阳能，提供廉价电能具有 重大意义。但是以有机聚合物材料制备太阳能电池的研究仅仅只是刚刚开始，不论是电池效率，还是使 用寿命都不能和无机太阳能电池特别是硅电池相媲美。能否将其发展成为具有实用价值的产品，还有待 于进一步研究与探索。与此同时，越来越多、日趋成熟的聚合物薄膜制备法的出现，亦为聚合物太阳能 电池的制备提供了有力的支撑。全世界的科学家从器件的优化和材料的选择对有机聚合物太阳能电池做了大量的研究，在研究和应 用方面均取得了部分成果。虽说如此，目前聚合物太阳能电池所面临的最大缺陷还是其光电转换效率极 其低下，通常为 1%-2%。因此聚合物太阳能电池的研究也面临着很大的挑战，只有得到更高效率、性 能更稳定的聚合物太阳能电池，才能够实现其商业化。根据Adolf Goetzberger等推测，聚合物太阳能电 池的光电转换效率如果能达到10%或以上，那么将会具有巨大的市场。第二节 聚合物太阳能电池的发展历程传统的无机太阳能电池由于受到其生产工艺复杂、生产成本高、制作过程能耗太高以及转换效率达 到极限值等种种因素的影响，使其进一步的发展受到极大的限制。近年来，伴随着导电聚合物迅速的发 展，使得开发成本较低的有机聚合物太阳能电池成为研究的热点。正是因为共轭导电聚合物材料具有柔 韧性使其易于加工，同时又具有半导体特性，能够在室温下配制成溶液，并通过喷涂、旋转等方式成膜， 使其生产成本降低，所以说聚合物太阳能电池具有巨大的商业应用价值和商业潜力。聚合物太阳能电池就是聚合物材料通过吸收光子从而实现光电转换的器件，其基本原理与无机太阳 能电池基本一致，都是基于半导体的光生伏特效应。聚合物太阳能电池的基本光电转换过程为：光照射 到聚合物光伏器件后,一定波长的光子被聚合物半导体层吸收；入射光子激发而形成的电子和空穴以中 性激子的形式存在；如果在电场或在界面处，这些电子-空穴对就会分离成电子和空穴,即带电载流子； 电子和空穴被不同的电极收集，从而产生电流。为了能够开发聚合物太阳能电池，科学家对各种各样的 有机染料和半导体聚合物进行了大量广泛的研究，并且取得了不少成果，表1 列出了部分有机聚合物 太阳能电池的的基本性能参数。图 1 有机太阳能电池的基本原理表 1 部分有机太阳能电池的的基本性能参数电池模型类别Voc(V)Jsc(inA.cnf-)FF(%>转换效率(%)Ag/Cds-EBBB/SnOj03150.115430.0401T0丿G* a TiOPc/Cr'Au-0.50.0018228.00.001371TO/C加 a -TiGPc/SiO/Cr*An-0.3900.0028411.30.06721TO/C60/ a -TiOPc/Cr'Au-0J80.017325.40.002311TO/C&0/ a -TiOPc/SiO/Cr*An-0.4750.03014.60.00733TO；CuPc/PV/Ag0.45023650.95A1/PPAF/H01.20.0002380.019TD/MPCl/TiOPc/Au0.250.032340,67ITD/TiOPc/MPCl/Au0.370.007310.29在1986年，C. W. Tang在有机太阳能电池的研究方面得到了开拓性的成果。他研究出了双层有 机太阳能电池结构(结构图如图2所示)。他先是在ITO玻璃上蒸镀了一层P型材料酞菁铜(CuPc),然后 在之上又镀了一层N型材料苝酰亚胺(PTCBI),最后使用银作为是电池的金属电极。/負极一范醴亚胺 二一一醜菁铜 q ito玻璃图2虽然说该电池的光电转换效率只能够达到1%左右，但是这个效率纪录却维持了将近15年的时间。 而当科学家认识到给体受体界面能够使有机材料中的光生激子进行有效分离之后，他们将大量的时 间用来探索新型材料和优化器件结构，通过选择更加合适的给体受体异质结材料组合和器件结构用 来提高电池的光电转换效率，而这其中包括有各种有机小分子、聚合物、小分子聚合物、有机 无机复合材料等等，并且取得了比较有价值的成果，其代表性的成果有：一、在2000年，普林斯顿大学的Forrest研究小组研究出了如何提高电池器件对光的吸收效率的方 法：在C. W. Tang的器件的基础上，使用一种对光能进行聚集光学结构，使入射光在有机膜中不断 地被反射，以此来增加光的吸收效率，并且结合激子阻挡层(exciton blocking layer，EBL)的应用，使太 阳能电池的光电转换效率提高了约2.5倍。再然后，Forrest小组又采用酞菁铜和激子扩散长度比较长的 材料C60,并将它们组合成给体一一受体异质结，再结合一层5-40nm的激子阻挡层，他们获得了光电60转换效率达3.6%的有机太阳能电池。后来，他们又成功地实现了小分子异质结的建构，使光电转换效 率达到了 4.8%左右。二、俞刚等人混合了聚合物材料MEH-PPV)和C60及其衍生物，然后控制制作条件使其复合体系60中形成了具有微相分离的连续互穿网络结构，于是MEHPPV和C6之间拥有了较大的接触面积，从 而得到了大量、微小的p-n结，并建立了良好的空穴和电子传输通道，因此，载流子的收集效率和光生 激子的分离效率都得到提高，使太阳能电池的光电转换效率达到了2.9。三、Friend等人将聚合物材料MEHPPV和CNPPV进行共混，也得到了互穿网络结构的聚合 物单层器件，单色光量子吸收效率达到了 6，比单独的用两种材料的器件的效率提高了数个数量级。 他们还利用层状复合，将聚噻吩衍生物POPT和MEHCNPPV制得双层结构的器件，光电转换效率 达到 1.9。第二章 聚合物太阳能电池的机理第一节 聚合物太阳能电池的基本原理与无机太阳能电池相类似，聚合物太阳电池的基本原理是利用光入射到半导体的异质结附近而产生 的光生伏打效应(Photovoltaic)。半导体由于吸收光子而产生电动势的现象就是光生伏打效应(Photovoltaic), 是当半导体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。每当光子照射到光 敏材料时，光敏材料被激发出电子和空穴对，在太阳能电池内的电场作用下进行分离和传输，然后被各 自的电极收。在电荷传输的过程中，电子向阴极移动，空穴向阳极移动，若将太阳能电池的外部用导线 连接起来，这样在电池的内部和外部就形成了电流。对于使用不同材料制备的太阳能电池，其电流产生 过程是不同的。对于无机太阳能电池，光电流产生原理的研究已经成熟，而聚合物体系的光电流产生过 程依旧还有很多值得探索的地方，这也是目前研究的理论热点之一，在光电流的产生原理方面，其实有 许多是参考了无机太阳能电池的理论(比如说