有機太陽能電池太陽能電池簡介

《有機太陽能電池太陽能電池簡介》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《有機太陽能電池太陽能電池簡介（70頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、有機太陽能電池 景廣華 2009.12.22 提綱 太陽能電池的定義 太陽能電池的種類 有機太陽能電池簡介 有機太陽能電池的優(yōu)勢和不足 有機太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀 有機太陽能電池的發(fā)展前景 太陽能電池的定義 太陽能電池是太陽能光伏發(fā)電的基礎和 核心，是一種利用光生伏打效應把光能轉 變?yōu)殡娔艿钠骷Ｓ眠m當?shù)墓庹赵谏线呏?后器件兩端會產生電動勢。 典型的太陽電池是一個 p-n結半導體二極管。 p-n結的形成過程 光生載流子電子空穴對的產生 “ 光生電壓 ” 及 “ 光生電流 ” 的產生 p-n結 “光生載流子 ” 的產生 光子把電子從價帶 (束縛 )激發(fā)到導帶 (自 由 )，并在價帶內留下一個 /空

2、穴 (自由 ) 產生了自由電子空穴對 “ 光生電壓 ” 的產生 自由電子和空穴擴散進入 p-n結， n-p 結作用下，分別 在 n區(qū)和 p區(qū) 形成電子 和空穴的積累 太陽電池 太陽能電池的種類 結構分類 同質結 (si) 異質結 (砷化鋁鉀 -砷化鎵異質結 ) 肖特基 (ms電池 )現(xiàn)在發(fā)展成 mos電池 材料分類 硅太陽能 無機化合物半導體太陽能 (硫化鎘 -硫化亞銅， 砷化鎵等 ) 敏化納米晶太陽能 (染料敏化太陽能 ) 機化合物太陽能 以酞菁 等等為集體材料制 成的太陽能 (小分子有機物太陽能 ) 塑料太陽能 (高分子多聚物太陽能 ) 光電轉換機理分類 傳統(tǒng) (光照直接產生電子空穴對 )

3、 激子 (光照產生的是激子，有機小分子，染 料，多聚物 ) 材料種類 有機太陽能電池簡介 廣泛的講有機太陽能電池主要是利用 有機小分子或有機高聚物來直接或間接將 太陽能轉變?yōu)殡娔艿钠骷?有機太陽能電池發(fā)展簡史 有機太陽能電池是一種正在進行研究 的新型電池。有機太陽能電池這個概念貌 似很新，但其實它的歷史也不短 跟硅 基太陽能電池的歷史差不多 。 第一個有機光電轉化器件是由 Kearns 和 Calvin在 1958年制備的，其主要材料為 鎂酞菁 (MgPc)染料，染料層夾在兩個功函 數(shù)不同的電極之間。在那個器件上，他們 觀測到了 200 mV的開路電壓，光電轉化效 率低得讓人都不好意思提 。

4、 1986年，柯達公司的鄧青云博士 . 光電轉化 效率達到 1左右。時至今日這種雙層膜異質結的 結構仍然是有機太陽能電池研究的重點之一。 1992年，土耳其人 Sariciftci發(fā)現(xiàn)，激發(fā)態(tài)的 電子能極快地從有機半導體分子注入到 C60分子 而反向的過程卻要慢得多 1993年， Sariciftci在此 發(fā)現(xiàn)的基礎上制成 PPV/C60雙層膜異質結太陽能 電池。此后，以 C60為電子受體的雙層膜異質結 型太陽能電池層出不窮。 研究人員在此類太陽能電池的基礎上又提出 了一個重要的概念：混合異質結 (體異質結 ) 工作原理和影響因素 光子捕獲吸收 能量傳輸轉移 載流子產生 載流子收集 光子捕獲及

5、影響因素： 也就是光子到來能夠吸收并儲存它所攜帶 的能量的部分。（硅，有機物） 影響因素 基板的透光性 能級特性，激發(fā)態(tài)穩(wěn)定性，回傳速率等 能量傳輸及影響因素 傳統(tǒng)器件 ： 載流子 激子器件 ： 激子 遷移率（摻雜） 擴散長度（雜質，缺陷，遷移率，和激發(fā) 態(tài)的壽命，及回傳速率） 載流子產生及影響因素 激子器件中由于產生的激子必須擴散到 分離點才會變?yōu)樽杂奢d流子。 激發(fā)態(tài)壽命 遷移率 界面能級特性 載流子的收集影響因素 激子被分離為載流子之后，必須被電極收集 之后傳導出去 電極功函數(shù) 界面能級狀態(tài)（復合） 電極表面形態(tài) 遷移率 有機物的光化學和物理過程 激子通常壽命很短，很快失活，能量耗 散掉失

6、活的途徑是多種多樣的，他們在互 相競爭著。 失活途徑： 輻射機制 無輻射機制 輻射機制 ： 熒光（光 光） 磷光（光 光） 無輻射機制 ： 物理的：內轉換，系間竄穿（光 熱） 化學的；單重態(tài)反應，三重態(tài)反應（光 化學） 光化學和光物理過程 激發(fā)態(tài)的能量轉移 ： D*+A D+A* 偶極 -偶極能量轉移 （ foster能量轉移） D* A A* D 電子交換能量轉移（ dexter能量轉移） D* A A* D 光致電子轉移： D*+A D+A- D* A A- D+ D+A* D+A- D A* A- D+ 激子太陽能器件就是基于不同材料之間的能量和電 子轉移來實現(xiàn)太陽能到電能的轉換的。 器

7、件結構和性能改善 器件基本結構： 其他常見結構： 目前效率比較高的兩種電池所用的結構： 2007 science 發(fā)表的，是當時的世界記錄 6.5% 2009年 4月 26日 nature photonics 上的高效單結電池 分類 有機太陽能按照結構和機理大致分為以 下幾種類型。 有機肖特基 有機異質結 有機體異質結 染料敏化 染料敏化太陽能 示意圖 體異質結太陽能電 池內部結構 性能的改善 器件結構 退火工藝 成膜工藝 新分子的采用和分子改造 載流子傳輸層 電極的改進 結構的改進 肖特基 異質結 體異質結 改進體異質結 粒子阻擋層、復合層 退火工藝 退火的應用允許材料進行重新的組織形成一定

8、 的晶態(tài)和良好的雙聯(lián)通結構，進而改善遷移率， 改進器件性能。 溫度 時間 影響：短路電流，填充因子（串聯(lián)，并聯(lián)電阻）， 開路電壓，響應波段。 成膜工藝 有機器件一般采用真空蒸鍍的方式來沉積薄膜， 當然對于大分子最常用的是旋涂，濺射由于粒子 能量較大不宜用來直接在有機物上鍍膜。 成分比例 厚度 溶劑 影響：短路電流，開路電壓，填充因子 新分子的采用和分子改造 不同物質的特性不同因而對器件的影響是很 大的，目前來看最有希望的便是富勒烯衍生物作 為受體的電池，當然人們還在需求新的途徑。 改造富勒烯系列分子 液晶分子（自組織） 雙區(qū)分子的合成（自組織，引入 C60） 這種工作對性能的影響是源于物質本性

9、的。 載流子傳輸層 載流子傳輸層有時候也是同時作為作用 層和電極修飾層的，他對載流子的收集性 能很重要。 激子阻擋層（ BCP） LiF PEDOT： PSS 碳納米管 影響：短路電流，填充因子 電極的改進 清洗（ HCl等） 紫外臭氧處理 PEDOT： PSS ITO的替代（ PEDOT： PSS、碳納米管） LiF 影響：短路電流，填充因子 有機太陽能電池的優(yōu)點和不足 有機太陽能電池作為一種新型的電池， 以其獨有的特點，不斷的吸引著更多的人 投入到這個領域的研究和開發(fā)中來。其發(fā) 展速度之快也得益于其獨有的優(yōu)點和特性。 化合物分子可設計性 材料輕便 制造加工成本低 樣式多樣化 便于制造大面積

10、柔性電池 當然目前來看有機太陽能器件仍有不少缺點 材料遷移率低，高體電阻，從而導致能量 轉換率低。 材料穩(wěn)定，耐久性不夠好，電池壽命短。 當然從目前世界上有機太陽能研究的狀 況來看雖然存在這些缺點，但是相對于制 造無機電池的高昂代價來講，無機太陽能 的研究仍舊有很強大的生命力。 有機太陽能的研究現(xiàn)狀 當電力、煤炭、石油等不可再生能源頻 頻告急，能源問題日益成為制約國際社會 經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸時，越來越多的國家開始 開發(fā)太陽能資源，尋求經(jīng)濟發(fā)展的新動力。 而太陽能電池便是一個很好的應用。 無機： 這種無機原料太陽能電池造價昂貴， 因而與其他一些能源發(fā)電比起來缺乏競爭 力 。 (縱然如此研究者也不在少

11、數(shù) ) 有機： 未來太陽能電池的主流發(fā)展方向強調 的是更輕便、更靈活，最重要的是， 更便宜 因而目前 有機太陽能的現(xiàn)狀是： 研究機 構紛紛投身研究有機太陽能，企業(yè)也紛紛涉 足有機太陽能。 下面介紹的是近兩年研究機構和企業(yè)的動 態(tài)和研究現(xiàn)狀： 2007 Science Alan J. Heeger等 “使有機薄 膜太陽能電池的單元轉換效率達到了全球最高 6.5 ”。 結構 ：級聯(lián)結構 關鍵 ：在兩個太陽能電池單元之間夾了一層 TiOxI (鈦氧化物材料 ) p型 ： PEDOT:PSS， n型 ： PCBM與 PCPDTBT的混合材料 (750 800nm) PC70BM與 P3HT的混合材料

12、(500nm ) 2009 Nature Photonics 韓國光州科學技 術學院 (GIST)宣布，將單結有機薄膜太陽能電池 的單元轉換效率提高到了 6.1。 (2007級聯(lián) 6.5 。 ) 結構 ：單結、 Bulk Hetero結構 P型 ： PCDTBT n型 ： PC70BM 特點 ：開放電壓較大 (425 575nm時，內部 量子效率高達 90。 ) 三菱化學開發(fā)出了 4.5的轉換效率的電池。 P型 ： P3HT N型 ：富勒烯衍生物 目標 ：今后力爭 2010年度達到 10， 并于 2015年 使模塊轉換效率為 15 的有機太陽能電池實現(xiàn)實用 化 大阪大學 (2008年 3月 2

13、7 30日 )成功開發(fā)出了單元 轉換效率高達 5.3的有機固體太陽能電池。 關鍵 ：純度極高的 C60(7個九 )結晶實現(xiàn)的 (僅通過這兩 點便將單元效率由原來的 2.5提高到了 5.3的全球 最高水平 ) 結構 ： ITO(透明電極 )/H2Pc/i層 /C60/NTCDA/Ag(電極 ) Bulk Hetero結構 Konarka科技的有機薄膜太陽能電池“ Power Plastic “(Konarka在其所在地 )美國波士頓的屋頂上安裝了基本相同 的太陽能電池， 1年 后其性能 幾乎沒有下降 。多數(shù)看法認 為有機太陽能電池的封裝必須使用玻璃或非常昂貴的薄膜， 與此相反，我們利用市售廉價材

14、料制造出的柔性太陽能電 池模塊卻具有如此之高的 耐久性 ，是了不起的成果 ” 英國風險 (G24i企業(yè) G24 Innovations )已從 2007年 10 月起采用卷對卷式印刷技術以 25MW/年的規(guī)模開始 量產柔性色素 増 感型太陽能電池模塊。產品已于 2008年上市。充電器的價格為 20 40美元。 東麗在 2009年 3月，通過新開發(fā) p型 (施主 )有機 半導體材料，使轉換效率達到了 5.5。 該 p型有機半導體材料的要點為兩個方面： (1)通過加大與 n型 (受主 )有機半導體材料的能級 (空 間電位 )差，實現(xiàn)了約 1V的高開路電壓； (2)通過涂覆與 n型半導體材料的分散混

15、合液形成 pn 結時，能夠擴大單位體積中 pn結界面的表面積。該 公司將力爭在 2015年前使轉換效率達到 7。 大日本印刷于 2009年 6月宣布， 5cm見方單元的 能量轉換效率達到了 4以上 特點 ：安裝輔助電極使有機薄膜太陽能電池。 目標 ： 2012年度開始樣品供貨有機薄膜太陽能電 池， 2015年度之前達到實用水平。此外還將研究基 于 PET薄膜底板的卷對卷工藝的量產技術 科納卡技術在 2009年 2月于日本舉行的“ PV EXPO 2009 第二屆國際太陽能電池展”上展出了利用 卷對卷 方式 制造的多種有機薄膜太陽能電池模塊。展示了利用 柔性 特 點封裝于皮包中，或作為電子紙的電

16、源加以利用的試制品 2009年 6月 18日英特爾研 發(fā)部門成果展示會 n型 ：富勒烯衍生物 p型 ： P3HT 結構：體異質結 特點 ：電極制成了梳 齒狀，電子更易流動的， 提高體異質結構造規(guī)則性 控制 效率 ： 2mm2面積效率 可達到 6， (此次 1.8 2 ) 目標 ：開發(fā)采用柔性 底板的技術 德國 Heliatek GmbH宣布，其有機薄膜 太陽能電池的轉換效率達到了 6.07。 結構 ：低分子材料的串聯(lián)結構。 目標 ：今后幾年內使轉換效率達到 10 。 (該公司將在 2009年 9月 21 25日于德國漢 堡舉辦的太陽能電池技術國際會議 ) 2009年 12月 2日 solarm

17、er宣布，有機太陽能 電池轉換率已經(jīng)達到 7.9%，為世界最高。 該公司 10月份已經(jīng)達到 7.6%，之前其在 nature photonics 2009年 10月的一篇文章上 提到的效率為 6.77% 有機太陽能電池的發(fā)展前景 當大多數(shù)新型太陽能電池還處在實驗階 段，其能效卻已被不斷夸大的時候，有機 材料太陽能電池能夠降低發(fā)電 成本 的潛能 已經(jīng)被實實在在地發(fā)掘并開始為人們所用， 因為這些有機材料的半導體可以被大量生 產并靈活運用于各個領域。 如今，世界各地的科學家和工程師們 都在努力發(fā)展這一技術以更早達到商業(yè)化 的目標。 全球太陽能電池產業(yè) 1994-2004年 10 年里增長了 17倍，

18、太陽能電池生產主要分 布在日本、歐洲和美國。 2006年全球太陽能電池安裝規(guī)模已達 1744MW，較 2005年成長 19 ，整個市場 產值已正式突破 100億美元大關。 2007年全球太陽能電池產量達到 3436MW，較 2006年增長了 56% 中國對太陽能電池的研究起步于 1958 年， 20世紀 80年代末期，國內先后引進了 多條太陽能電池生產線，使中國太陽能電 池生產能力由原來的 3個小廠的幾百 kW一 下子提升到 4個廠的 4.5MW，這種產能一直 持續(xù)到 2002年，產量則只有 2MW左右。 2002年后，歐洲市場特別是德國市場 的急劇放大和 無錫尚德 太陽能電力有限公 司的橫空

19、出世及超常規(guī)發(fā)展給中國光伏產 業(yè)帶來了前所未有的發(fā)展機遇和示范效應 太陽能光伏發(fā)電在不遠的將來會占據(jù)世界能源 消費的重要席位。 預計到 2030年，可再生能源在總能源結構中將 占到 30 以上，而太陽能光伏發(fā)電在世界總電力供 應中的占比也將達到 10 以上； 到 2040年，可再生能源將占總能耗的 50 以上， 太陽能光伏發(fā)電將占總電力的 20 以上； 到 21世紀末，可再生能源在能源結構中將占到 80 以上，太陽能發(fā)電將占到 60 以上。 事實上，人們已經(jīng)用上太陽能，不過 其成本大約是傳統(tǒng)電力的 三倍 。 前者 的成本是每千瓦 1822美分，而傳統(tǒng)電力的 價格僅為每千瓦 510美分。這說明， 轉換 率不是最重要的 ，低成本的獲取能源才是 大家的目的。隨著技術的進步，例如利用 “ 塑料 ” 太陽能電池來取代比較昂貴的硅 太陽能電池，美國能源部認為太陽能成本 將在幾年內降至常規(guī)電力的水平 由此可以看出，太陽能電池市場前景廣 闊。 謝 謝