附5 1002114001張三 論文模板 (1)(共30頁(yè))

1、河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文PAGE PAGE 30 河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 學(xué)號(hào)： 有機(jī)(yuj)薄膜太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展學(xué)院(xuyun)名稱： 物理(wl)與電子工程學(xué)院 專業(yè)名稱： 物理學(xué) 年級(jí)班別： 2010 級(jí) 1 班 姓 名： * 指導(dǎo)教師： * 2013年5月有機(jī)(yuj)薄膜太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展摘 要本文首先介紹了太陽(yáng)能電池(dinch)的基本知識(shí)，包括太陽(yáng)能電池的工作原理、太陽(yáng)輻射能譜、太陽(yáng)能電池的評(píng)價(jià)參數(shù)(cnsh)、分類以及發(fā)展方向等；其次，通過(guò)對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池進(jìn)行了發(fā)展探討，詳細(xì)分析總結(jié)了有機(jī)太陽(yáng)能的早期及近期發(fā)展；然后，對(duì)目前國(guó)際最前沿的疊層太陽(yáng)能電池器件的研究情況進(jìn)

2、行了綜述，對(duì)其研究的材料，器件的結(jié)構(gòu)以及研究的性能參數(shù)和各方面的特性進(jìn)行了分析；最后，對(duì)今后太陽(yáng)能電池的發(fā)展及其產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)進(jìn)行了展望，對(duì)太陽(yáng)能電池性能的進(jìn)一步提高應(yīng)該注意的問(wèn)題進(jìn)行了探索。關(guān)鍵詞：有機(jī)太陽(yáng)能電池；最新進(jìn)展；疊層；轉(zhuǎn)換效率 Advances of study on organic thin film solar cells AbstractThis thesis first introduces foundation knowledge of solar cells, including working principle, solar radiation spectrum, e

3、valuation parameters, classification and development direction in the future. Second, through the exploration of the development of the organic solar cells, the author summarizes the development and preparation of the organic solar cell, and gives a comprehensive analysis. Then, the thesis reviews t

4、he international forefront of the tandem solar cell device research, materials, structure, performance parameters and the various aspects of characteristics. Finally, the thesis prospects the development of the solar cells industrys trend, and explores the improving performance of solar cells.Keywor

5、ds: Organic solar cells; Latest advances; Tandem; conversion efficiency; 目 錄 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc323976971 摘 要 PAGEREF _Toc323976971 h I HYPERLINK l _Toc323976974 Abstract PAGEREF _Toc323976974 h II HYPERLINK l _Toc323976975 前 言 PAGEREF _Toc323976975 h 1 HYPERLINK l _Toc323976976 1 太陽(yáng)能電池

6、(dinch)的背景知識(shí) PAGEREF _Toc323976976 h 3 HYPERLINK l _Toc323976977 1.1有機(jī)太陽(yáng)能的電池(dinch)的工作原理 PAGEREF _Toc323976977 h 3 HYPERLINK l _Toc323976978 1.2 太陽(yáng)輻射(ti yn f sh)能譜 PAGEREF _Toc323976978 h 4 HYPERLINK l _Toc323976979 1.3太陽(yáng)能電池的重要特性 PAGEREF _Toc323976979 h 5 HYPERLINK l _Toc323976980 1.4有機(jī)太陽(yáng)能電池的器件結(jié)構(gòu)分類

7、PAGEREF _Toc323976980 h 9 HYPERLINK l _Toc323976981 1.5太陽(yáng)能電池的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向 PAGEREF _Toc323976981 h 12 HYPERLINK l _Toc323976982 2.有機(jī)太陽(yáng)能電池的發(fā)展歷程 PAGEREF _Toc323976982 h 13 HYPERLINK l _Toc323976983 2.1 有機(jī)太陽(yáng)能電池早期發(fā)展 PAGEREF _Toc323976983 h 13 HYPERLINK l _Toc323976984 2.1 有機(jī)太陽(yáng)能電池近期發(fā)展歷程 PAGEREF _Toc323976984

8、 h 16 HYPERLINK l _Toc323976985 3.有機(jī)太陽(yáng)能電池的最新發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化前景 PAGEREF _Toc323976985 h 18 HYPERLINK l _Toc323976986 3.1有機(jī)太陽(yáng)能電池最新發(fā)展 PAGEREF _Toc323976986 h 18 HYPERLINK l _Toc323976987 3.2最新有機(jī)太陽(yáng)能電池研究情況及性能提高機(jī)理 PAGEREF _Toc323976987 h 19 HYPERLINK l _Toc323976988 3.3有機(jī)太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化前景 PAGEREF _Toc323976988 h 21 HYPERL

9、INK l _Toc323976989 4 總 結(jié) PAGEREF _Toc323976989 h 22 HYPERLINK l _Toc323976990 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc323976990 h 23 HYPERLINK l _Toc323976991 致 謝 PAGEREF _Toc323976991 h 25前 言能源的浪費(fèi)和過(guò)度的開(kāi)發(fā)使化石燃料日趨枯竭和世界范圍內(nèi)的能源不足，近期世界范圍內(nèi)流血沖突實(shí)質(zhì)都是為了爭(zhēng)奪能源。對(duì)于(duy)能源問(wèn)題不僅僅表現(xiàn)在爭(zhēng)奪資源而且更為引人關(guān)注的是在化石能源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中所帶來(lái)負(fù)面影響是難以消除的，如環(huán)境污染，溫室效應(yīng)等一系列的環(huán)境問(wèn)題

10、提上日程。太陽(yáng)能，風(fēng)能，受控氫核變能及其他的可再生能源，將逐漸走上世界能源的歷史舞臺(tái)。其中太陽(yáng)能是最合適的資源。太陽(yáng)能分布廣泛且獲取方便，在太陽(yáng)能的利用上，沒(méi)有廢棄物的排放也沒(méi)有噪音更不會(huì)產(chǎn)生對(duì)人類有害的物質(zhì)。對(duì)于人類的歷史來(lái)講，太陽(yáng)可持續(xù)輻射100億年。所以是取之不盡用之不竭的，必將成為主導(dǎo)能源。傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池是利用半導(dǎo)體的特性，在硅材料的基礎(chǔ)上制作太陽(yáng)能電池。目前占市場(chǎng)主流的太陽(yáng)能電池是硅太陽(yáng)能電池。硅太陽(yáng)能電池又可以分為：?jiǎn)尉?yáng)能電池，多晶硅太陽(yáng)能電池，非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。硅太陽(yáng)能電池明顯的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域顯現(xiàn)出來(lái)，如航天領(lǐng)域，軍事等領(lǐng)域。雖然傳統(tǒng)的硅太陽(yáng)能電池有比較的優(yōu)勢(shì)，但是

11、由于受到材料和技術(shù)兩大瓶頸的制約生產(chǎn)的成本還是很高，發(fā)出1kw的電需要上千美元，因此大規(guī)模的使用依然要受到經(jīng)濟(jì)的制約，從另一方面上講生產(chǎn)的技術(shù)依然受到限制，硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)到達(dá)到理論上的極限，無(wú)法提高其轉(zhuǎn)化效率。無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池的工藝復(fù)雜而且制造(zhzo)設(shè)備昂貴，使其很難在價(jià)格上得到打幅度的消減。太陽(yáng)能電池在應(yīng)用上追求的不是效率而是成本價(jià)格。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始人們就越來(lái)越關(guān)注有機(jī)太陽(yáng)能的研制。在導(dǎo)電聚合物上研發(fā)利用取得很大的進(jìn)步(jnb)，使有機(jī)半導(dǎo)體成為硅半導(dǎo)體的替代品的潛能。有機(jī)導(dǎo)電聚合物有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：有機(jī)分子可以經(jīng)過(guò)加工，不需要得到晶體狀無(wú)機(jī)半導(dǎo)體。特別是聚合物半導(dǎo)

12、體的優(yōu)越性是與廉價(jià)的加工技術(shù)聯(lián)系在一起。大量的研究表明，導(dǎo)電聚合物是集各種性能于一身的半導(dǎo)體材料。隨著有機(jī)薄膜聚合物的快速發(fā)展，為有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的發(fā)展，提供有力的支持。有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池也是一種薄膜器件，現(xiàn)在的各種成熟的薄膜制造技術(shù)為有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的發(fā)展提供技術(shù)保障。有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池的優(yōu)點(diǎn)在于具有可重復(fù)利用，質(zhì)量輕，柔性強(qiáng)，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，低成本，制作過(guò)程簡(jiǎn)易迅速等優(yōu)點(diǎn)。本文分為四部分。第一部分見(jiàn)識(shí)了太陽(yáng)能電池的背景知識(shí)，主要(zhyo)有太陽(yáng)能電池的工作原理、太陽(yáng)輻射能譜、太陽(yáng)能電池的重要(zhngyo)特性、器件(qjin)結(jié)構(gòu)分類以及研究重點(diǎn)和發(fā)展方向等。第二部分主要介紹有機(jī)太

13、陽(yáng)能電池的發(fā)展歷程及制備工藝。第三部分對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池的最新研究進(jìn)展以及性能提高進(jìn)行分析，最后對(duì)其產(chǎn)業(yè)化前景進(jìn)行了展望。第四部分總結(jié)全文。1 太陽(yáng)能電池(dinch)的背景知識(shí)由于目前使用的主要能源（煤、石油、天然氣）日漸枯竭，太陽(yáng)能電池越來(lái)越受到人們的關(guān)注，成為了人們尋找新能源的聚焦點(diǎn)。下面我們就來(lái)介紹(jisho)一下太陽(yáng)能電池的一下基本的知識(shí)。1.1有機(jī)太陽(yáng)能的電池(dinch)的工作原理有機(jī)太陽(yáng)能電池與傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池機(jī)理相似，不同處在與有機(jī)材料作為火星層，通過(guò)光電效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。有機(jī)異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池通常是有兩種不同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成，一種是n型半導(dǎo)體材料即電子型材料，

14、另一種是p型材料即空穴材料 ADDIN EN.CITE 曲波2011152115215217曲波張世勇謝星陳志堅(jiān)肖立新龔旗煌李福山郭太良有機(jī)太陽(yáng)能電池研究進(jìn)展物理物理223-2324042011 HYPERLINK l _ENREF_1 o 曲波, 2011 #152 1。有機(jī)太陽(yáng)能電池的原理是光照射在p-n上引起的光伏效應(yīng)，光電轉(zhuǎn)化過(guò)程如圖1-1。圖1-1 有機(jī)太陽(yáng)能電池的工作原理1若入射光的能量大于或等于有機(jī)半導(dǎo)體材料的能隙的時(shí)候，有機(jī)半導(dǎo)體將吸收入射的光子，使供體上的電子從HOMO軌道上躍遷到LUMO，從而產(chǎn)生非平衡電子-空穴對(duì)，并不是自由載流子，電子-空穴對(duì)是在庫(kù)倫力的作用下束縛在一起

15、被稱為激子。產(chǎn)生的激子必須分離成自由載流子才能產(chǎn)生光電流。在擴(kuò)散的作用下，光產(chǎn)生(chnshng)的激子將運(yùn)動(dòng)到供體和給體的界面，由于內(nèi)建電場(chǎng)的純?cè)?，激子將?huì)分離成空穴和電子，如圖1-2。電子和空穴朝著相反的方向運(yùn)動(dòng)，最終的結(jié)果是n區(qū)積累大量的負(fù)電荷，在p區(qū)積累大量的正電荷，必然使p區(qū)的電勢(shì)高，n區(qū)的電勢(shì)低，在p-n結(jié)內(nèi)部產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)與內(nèi)建電場(chǎng)的方向相反，即產(chǎn)生了光伏效應(yīng)。產(chǎn)生的電子和空穴通過(guò)不同的運(yùn)輸形式到達(dá)(dod)相應(yīng)的電極。電子進(jìn)過(guò)受體材料到達(dá)電池的負(fù)極，空穴經(jīng)過(guò)給體達(dá)到電池的正極，最后經(jīng)過(guò)電路形成電流。圖1-2 電子(dinz)和空穴在分離界面向不同的電極移動(dòng)11.2 太陽(yáng)輻射能譜

16、20世紀(jì)80年代初期，制定了用于測(cè)量太陽(yáng)電池的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜，現(xiàn)已被世界各地接受。在大氣上界日地平均距離處，通過(guò)與太陽(yáng)光線垂直的單位面積上的太陽(yáng)輻射總輻射通量密度（包括所有波長(zhǎng)），叫做太陽(yáng)常數(shù)。太陽(yáng)輻射通量密度： （1-1） 是指大氣上界，日地平均距離為d0時(shí)，與日光垂直平面上的太陽(yáng)分光輻照度。是指太陽(yáng)分光輻照度：日地距離為d時(shí)，大氣上界與日光垂直的平面上： （1-2）太陽(yáng)(tiyng)常數(shù)的值為1.338-1.418 kW,在太陽(yáng)電池的計(jì)算(j sun)中通常取1.353 kW。而大氣對(duì)地球表面接受(jishu)太陽(yáng)光的影響程度被定義為大氣質(zhì)量（air mass）。太陽(yáng)光在大氣層外垂直輻照時(shí)，

17、大氣質(zhì)量為AM0，太陽(yáng)入射光與地面的夾角為時(shí)大氣質(zhì)量為AM1。海平面上任意一點(diǎn)和太陽(yáng)的連線與海平面的夾角叫天頂角。其它入射角的大氣質(zhì)量可以用天頂角的關(guān)系表達(dá)，即AM=。當(dāng)太陽(yáng)的天頂角為時(shí)為AM1.5，是指典型晴天時(shí)太陽(yáng)光照射到一般地面的情況，其輻射總量為1 kW。這個(gè)入射角在西方國(guó)家很容易見(jiàn)到，因此，AM1.5被規(guī)定為太陽(yáng)能電池測(cè)量和比較的標(biāo)準(zhǔn)條件，為了方便，AM1.5太陽(yáng)光的輻照強(qiáng)度被規(guī)定為100k。圖1-3所示為太陽(yáng)輻射的波長(zhǎng)分布圖，目前已被采用為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ADDIN EN.CITE 葉懷英2012153215315317葉懷英李文李維實(shí)有機(jī)太陽(yáng)能電池用聚合物給體材料的研究進(jìn)展Chin.

18、J. Org. ChemChin. J. Org. Chem266-283322012 HYPERLINK l _ENREF_2 o 葉懷英, 2012 #153 2。圖1-3 太陽(yáng)光輻射的波長(zhǎng)分布圖 ADDIN EN.CITE 葉懷英2012153215315317葉懷英李文李維實(shí)有機(jī)太陽(yáng)能電池用聚合物給體材料的研究進(jìn)展Chin. J. Org. ChemChin. J. Org. Chem266-283322012 HYPERLINK l _ENREF_2 o 葉懷英, 2012 #153 21.3太陽(yáng)能電池的重要特性太陽(yáng)能電池器件涉及多個(gè)領(lǐng)域，它涵蓋電學(xué) 熱學(xué) 光學(xué)以及半導(dǎo)體工藝，所以太

19、陽(yáng)能電池具有光譜響應(yīng) 溫度特性和光伏特性等性質(zhì)。下面就對(duì)光譜響應(yīng)溫度特性以及光伏特性做簡(jiǎn)單的介紹。1.3.1光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)指的是太陽(yáng)能電池對(duì)某些波長(zhǎng)的光有著不同的敏感，呈現(xiàn)的特點(diǎn)是，在光的照射下，電路的電流隨著不同的波長(zhǎng)而發(fā)生改變，并能給出最大的電流，具有最大的響應(yīng)值。光譜響應(yīng)的曲線一般是由太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)、活性材料 以及電極材料等決定的。光譜響應(yīng)的曲線被稱為量子效率曲線，其又可以(ky)分為外量子效率曲線和內(nèi)量子曲線。從量子效率曲線上可以了解界面以及各組成半導(dǎo)體面對(duì)載流子的提取能力的大小，從而對(duì)太陽(yáng)能電池的界面進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而提高太陽(yáng)能電池的性能，最終提高太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化效率。外量子效率(xio

20、 l)指的是入射的光字?jǐn)?shù)和產(chǎn)生的電子數(shù)的比值就，即是入射到電池上的每一個(gè)光子產(chǎn)生的少數(shù)載流子或者是空穴電子對(duì)的數(shù)目。可以用公式表達(dá)為 (1-3 )入射光源一定(ydng)，Isc的大小和EQE有關(guān)，其中是入射光子的波長(zhǎng)，Isc是器件的光電流，Pin模擬光的入射功率3。 圖1-4影響外量子效應(yīng)的因素3內(nèi)量子效率指的是太陽(yáng)能電池吸收的光子和產(chǎn)生的光子的比值，即在太陽(yáng)能電池中吸收的每一個(gè)光子產(chǎn)生的載流子或者是空穴電子對(duì)的數(shù)目。對(duì)于不同的材料入射的光子的數(shù)目是不同的，同種材料而言入射的光子也不一定能被全部的吸收，產(chǎn)生的電子也不一定全部產(chǎn)生電能，對(duì)于太陽(yáng)能電池而言量子效率高而能量轉(zhuǎn)換效率低。1.3.2開(kāi)

21、路(kil)電壓當(dāng)太陽(yáng)能電池在開(kāi)路的情況下，被分離的載流子將會(huì)在p-n結(jié)界面大量的街壘，在一定的程度上補(bǔ)償了接觸(jich)電動(dòng)勢(shì)，這是產(chǎn)生的光生電動(dòng)勢(shì)被稱為開(kāi)路電壓。且Rsh=的時(shí)候(sh hou)，開(kāi)路電壓為： (1-4)對(duì)于有機(jī)太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓VOC也受到其它因素的影響，如有機(jī)半導(dǎo)體的材料 ，有機(jī)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)，供體材料的濃度等。主要影響的是體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓則是由供體材料的HOMO和受體材料的LUMO決定的。對(duì)于給體和PCBM 體系的有機(jī)太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓VOC可以用下式表示： (1-5)其中e是電子電荷量，指的是給體的HOMO能級(jí)和PCBM的LUMO的能級(jí)。1.

22、3.3短路電流太陽(yáng)能電池在短路的情況下的電流稱為短路電流.在理想的情況下有機(jī)太陽(yáng)能電池的短路電流是由有機(jī)半導(dǎo)體內(nèi)的光誘導(dǎo)載流子密度和在粒子遷移率決定的?？梢杂孟率奖硎荆?(1-6)其中n是載流子的密度，e是電子的電荷量，指的是載流子的遷移率，E是電場(chǎng)大小。假設(shè)若在體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池中光激發(fā)產(chǎn)生的電子的效應(yīng)為100%，那么n指的是單位體積內(nèi)的吸收的光子數(shù)目。1.3.4最大輸出功率當(dāng)太陽(yáng)能電池兩端接上負(fù)載時(shí)，負(fù)載中就會(huì)有電流通過(guò)，電流被稱為太陽(yáng)能電池的工作電流或稱為負(fù)載電流或者是輸出電流。負(fù)載兩端的電壓稱為工作電壓。若用負(fù)載(fzi)的最大的輸出電壓和最大的輸出電流的乘積最大就可以得到最大的輸出功

23、率，最大工作電壓用Umax表示，最大工作(gngzu)電流用Imax表示(biosh)，最大輸出功率用Pmax表示。在伏安曲線上Umax， Imax，Pmax 表示如圖1-5所示。圖1-5太陽(yáng)能電池在光照下的伏安曲線圖1-6 太陽(yáng)能電池的伏安曲線ISC短路電流；VOC開(kāi)路電壓； Imax最大工作電流；Vmax最大工作電流；Pmax最大工作功率1.3.5填充因數(shù)填充因數(shù)是太陽(yáng)能電池的另外一個(gè)重要的參數(shù)，指的是最大工作功率與開(kāi)路電壓和短路電流乘積的比值，用公式表示為 (1-7)其中(qzhng)Imax是最大工作(gngzu)電流，Vmax是最大工作電壓，Isc是短路(dunl)電流，Vov是開(kāi)路

24、電壓如圖1-6所示。一般而言填充因數(shù)越高，伏安曲線越趨近于矩形，太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率越高。1.3.6轉(zhuǎn)化效率太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率指的是太陽(yáng)能電池的最大輸出功率與入射到太陽(yáng)能電池表面的太陽(yáng)光能量的比值，用公式表示為 (1-9)其中FF是填充因數(shù)，Isc是短路電流，Vov是開(kāi)路電壓。1.4有機(jī)太陽(yáng)能電池的器件結(jié)構(gòu)分類太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)對(duì)其工作性能有很大的影響，有機(jī)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)最早為的單層器件，相繼出現(xiàn)了雙層異質(zhì)結(jié)、本體異質(zhì)結(jié)、分子D-A結(jié)和基于以上單元結(jié)構(gòu)的層疊器件等。1.4.1單層有機(jī)太陽(yáng)能電池器件單層太陽(yáng)能電池是由一層同質(zhì)單一極性的有機(jī)半導(dǎo)體嵌入電極之間而組成的電池器件，如圖1-7，其結(jié)

25、構(gòu)為:玻璃基片/電極/同質(zhì)活性層/電極，陽(yáng)極一般是ITO，陰極一般是功函數(shù)低的金屬Al，Ag，Ca，Mg等。在有機(jī)單層器件中，兩個(gè)電極功函數(shù)差別導(dǎo)致的內(nèi)建電場(chǎng)是激子解離為電子和空穴的主要驅(qū)動(dòng)力，然而，內(nèi)建電場(chǎng)一般不足以將有機(jī)材料的激子解離，所以激子解離效率極低。從而導(dǎo)致單層結(jié)構(gòu)光電轉(zhuǎn)換效率很低。圖1-7單層太陽(yáng)能電池 1.4.2雙層異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池(dinch)器件 雙層異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池的給體和受體材料分層于陰極和陽(yáng)極兩個(gè)電極間組成(z chn)平面型D-A界面4，如圖1-8，其結(jié)構(gòu)為：玻璃基片/陽(yáng)極/給體材料/受體材料/金屬陰極，在雙層異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池器件中電荷分離的主要驅(qū)動(dòng)力是給體

26、和受體的LUMO的能極差（給體和受體界面的電子勢(shì)壘）。在界面處較大的勢(shì)壘更有利于激子的解離(ji l)。和單層器件對(duì)比，雙層異質(zhì)結(jié)器件的優(yōu)點(diǎn)在于提供更好的電子空穴通道。電子和空穴分別在n型受體材料中和p型給體材料中傳輸，使電荷分離效率增大，自由電荷重新復(fù)和率減小。圖1-8 雙層異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池1.4.3本體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池器件本體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池的給體和受體在活性層中是充分混合的，D-A界面存在于整個(gè)活性層5。如圖1-9，其結(jié)構(gòu)為：玻璃基片/陽(yáng)極/混合活性層材料/金屬陰極，與雙層異質(zhì)結(jié)相似，都是用D-A界面效應(yīng)來(lái)轉(zhuǎn)移電荷。區(qū)別在于本體異質(zhì)結(jié)在整個(gè)活性層產(chǎn)生電荷分離，而雙層異質(zhì)結(jié)只在

27、界面處產(chǎn)生電荷分離，所以本體異質(zhì)結(jié)器件中激子解離效率較高，復(fù)合的概率較小，本體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池活性層材料的形貌和受體/給體的混合程度，對(duì)光電流的產(chǎn)生和能量轉(zhuǎn)換效率有很大的影響。粒徑的尺寸太大會(huì)降低電荷的分離效率，太小會(huì)阻礙電荷的傳輸，因此，優(yōu)化材料粒徑大小可以較好的提高電荷分離效率和輸運(yùn)效率。圖1-9 本體異質(zhì)結(jié)有機(jī)(yuj)太陽(yáng)能電池1.4.4分子(fnz)D-A結(jié)有機(jī)(yuj)太陽(yáng)能電池器件 分子D-A結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池是將具有電子給體性質(zhì)的單元以共價(jià)鍵方式連接到受體聚合物或小分子上形成D-A結(jié)材料，以這種材料為活性層的單層器件6。如圖1-10，其結(jié)構(gòu)為：玻璃基片/陽(yáng)極/分子D-A結(jié)材料

28、/金屬陰極，D-A結(jié)器件在分子內(nèi)產(chǎn)生激子的解離避免了給體和受體之間的相分離，以及由給體和受體分子的聚集現(xiàn)象導(dǎo)致的電荷分離效率降低的問(wèn)題，在D-A分子內(nèi)伴隨著發(fā)生的光誘導(dǎo)電荷的轉(zhuǎn)移，使電荷復(fù)合幾率有所增大。因?yàn)榉植荚贒和A 單元的電荷需要通過(guò)各自鏈間的躍進(jìn)防止復(fù)合，這個(gè)過(guò)程相對(duì)于鏈內(nèi)復(fù)合要更加的困難。光誘導(dǎo)電荷的轉(zhuǎn)移與能量轉(zhuǎn)移的競(jìng)爭(zhēng)降低了D-A 結(jié)器件的工作效率。圖1-10分子D-A結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池1.4.5疊層結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽(yáng)能電池器件疊層結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽(yáng)能電池器件是將多個(gè)單元器件串聯(lián)做成一個(gè)器件，從而最大限度的吸收太陽(yáng)光譜，使電池的開(kāi)路電壓和效率得到提高7。如圖1-11，其結(jié)構(gòu)為：玻璃基片/陽(yáng)極(透

29、明)/活性單元結(jié)構(gòu)1/連接層/活性單元結(jié)構(gòu)2/陰極（背電極），太陽(yáng)光譜的能量分布很寬，而一般材料的吸收范圍都是有限的， 單一材料只能吸收部分太陽(yáng)光譜能量。疊層結(jié)構(gòu)的電池利用不同種類材料的不同光譜吸收范圍，提高對(duì)太陽(yáng)光譜的吸收，從而提高效率。由于串聯(lián)的原因，疊層結(jié)構(gòu)電池的開(kāi)路電壓一般大于其子單元結(jié)構(gòu)的開(kāi)路電壓，其轉(zhuǎn)換效率主要受圖1-11 疊層結(jié)構(gòu)有機(jī)(yuj)太陽(yáng)能電池到光生電流的限制(xinzh)。因此，更好的選擇各子電池的能隙寬度和厚度是疊層結(jié)構(gòu)電池設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，保證各個(gè)子電池之間的歐姆接觸，從而得到高的轉(zhuǎn)換效率。1.5太陽(yáng)能電池的研究(ynji)重點(diǎn)和發(fā)展方向利用光伏效應(yīng)的太陽(yáng)能電池作為能量

30、轉(zhuǎn)換器件正在進(jìn)行以提高效率和降低成本為目標(biāo)的研究，而導(dǎo)電高分子材料的快速發(fā)展使得研究開(kāi)發(fā)低成本太陽(yáng)能電池成為可能。共軛導(dǎo)電高分子材料由于兼有聚合物的可加工性和柔韌性以及無(wú)機(jī)半導(dǎo)體特性或金屬導(dǎo)電性因而具有巨大的潛在商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。聚合物光電池因?yàn)榫哂性蟽r(jià)格低廉、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、可以涂布、印刷等方式大面積制備等優(yōu)點(diǎn)，如果能在性能上取得進(jìn)一步的突破，將其能量轉(zhuǎn)換效率提高到接近商品無(wú)機(jī)材料太陽(yáng)能光電池的水平，將有可能在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。其市場(chǎng)前景十分巨大。將太陽(yáng)能電池的元器件制備在聚合物的一層非常薄的膜上，這是一個(gè)非常有趣的想法。由于這層薄膜是有機(jī)聚合物膜，因而可以通過(guò)現(xiàn)有的化學(xué)分子設(shè)計(jì)的方法對(duì)其

31、進(jìn)行性能的控制以達(dá)到所要的目的。同時(shí)目前已存在的各種制備聚合物薄膜的方法是這種太陽(yáng)能電池的制備有了很好的保證8。有機(jī)太陽(yáng)能電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：能夠自行設(shè)計(jì)分子材料結(jié)構(gòu)、可選擇余地大；與無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池相比，有機(jī)太陽(yáng)能電池毒性小，不易對(duì)環(huán)境造成污染；加工工藝簡(jiǎn)單，易于操作；價(jià)格便宜。大多有極高分子材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，成本低廉；有機(jī)太陽(yáng)能電池制作的結(jié)構(gòu)變化多樣，適于制作大面積柔性器材。因此，具有制造工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、可以卷曲、適宜大面積制造的有機(jī)太陽(yáng)能電池，越來(lái)越受人們的廣泛重視，今后將會(huì)有很大的發(fā)展空間。2.有機(jī)太陽(yáng)能電池(dinch)的發(fā)展歷程2.1 有機(jī)太陽(yáng)能電池(dinch)早期發(fā)展有機(jī)

32、太陽(yáng)能電池這個(gè)(zh ge)概念貌似很新，但其實(shí)它的歷史也不短-跟硅基太陽(yáng)能電池的歷史差不多。第一個(gè)硅基太陽(yáng)能電池是貝爾實(shí)驗(yàn)室在1954年制造出來(lái)的，它的太陽(yáng)光電轉(zhuǎn)化效率約為6%；而第一個(gè)有機(jī)光電轉(zhuǎn)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(gè)功函數(shù)不同的電極之間。在那個(gè)器件上，他們觀測(cè)到了200 mV的開(kāi)路電壓，光電轉(zhuǎn)化效率低得讓人都不好意思提。此后二十多年間，有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域內(nèi)創(chuàng)新不多，所有報(bào)道的器件之結(jié)構(gòu)都類似于1958年版，只不過(guò)是在兩個(gè)功函數(shù)不同的電極之間換用各種有機(jī)半導(dǎo)體材料。電子被低功函數(shù)的電極提取，空穴則被來(lái)自高功函

33、數(shù)電極的電子填充，由此在光照下形成光電流。理論上，有機(jī)半導(dǎo)體膜與兩個(gè)不同功函數(shù)的電極接觸時(shí)，會(huì)形成不同的肖特基勢(shì)壘。這是光致電荷能定向傳遞的基礎(chǔ)。因而此種結(jié)構(gòu)的電池通常被稱為“肖特基型有機(jī)太陽(yáng)能電池”。1986年，行業(yè)(hngy)內(nèi)出現(xiàn)了一個(gè)里程碑式的突破。實(shí)現(xiàn)這個(gè)突破的是位華人，柯達(dá)公司的鄧青云博士。這個(gè)時(shí)代的有機(jī)太陽(yáng)能電池所采用的有機(jī)材料，主要還是具有高可見(jiàn)光吸收效率的有機(jī)染料。這些染料通常也被用作感光材料，這自然是柯達(dá)的強(qiáng)項(xiàng)。鄧青云的器件之核心結(jié)構(gòu)是由四羧基苝的一種衍生物（鄧?yán)瞎芩蠵V）和銅酞菁（CuPc）組成的雙層膜。雙層膜的本質(zhì)是一個(gè)異質(zhì)結(jié)，鄧?yán)系乃悸肥怯脙煞N有機(jī)半導(dǎo)體材料來(lái)模仿無(wú)

34、機(jī)異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池。他制備的太陽(yáng)能電池，光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到1%左右。雖然還是跟硅電池差得很遠(yuǎn)，但相對(duì)于以往的肖特基型電池卻是一個(gè)很大的提高。這是一個(gè)成功的思路，為有機(jī)太陽(yáng)能電池研究開(kāi)拓了一個(gè)新的方向，時(shí)至今日這種雙層膜異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)仍然是有機(jī)太陽(yáng)能電池研究的重點(diǎn)之一。 到了1992年，土耳其人(t r q rn)Sariciftci（讀作薩利奇夫奇）在美國(guó)發(fā)現(xiàn)，激發(fā)態(tài)的電子能極快地從有機(jī)半導(dǎo)體分子注入到C60分子(fnz)（其結(jié)構(gòu)如圖2-1）中，而反向的過(guò)程卻要慢得多。也就是說(shuō)，在有機(jī)半導(dǎo)體材料與C60的界面上，激子可以以很高的速率實(shí)現(xiàn)電荷分離，而且分離之后的電荷不容易在界面上復(fù)合。這是由于C60

35、的表面是一個(gè)很大的共軛結(jié)構(gòu)，電子在由60個(gè)碳原子軌道組成的分子圖2-1 C60分子結(jié)構(gòu)軌道上離域，可以對(duì)外來(lái)的電子起到穩(wěn)定作用。因此C60是一種良好的電子受體材料。1993年，Sariciftci在此發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上制成PPV/C60雙層膜異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池。PPV通常叫做“聚對(duì)苯乙烯撐”，是一種導(dǎo)電聚合物（關(guān)于導(dǎo)電聚合物將另文詳述），也是一種典型的P型有機(jī)半導(dǎo)體材料。此后，以C60為電子受體的雙層膜異質(zhì)結(jié)型太陽(yáng)能電池層出不窮。 隨后，研究人員在此類太陽(yáng)能電池的基礎(chǔ)上又提出了一個(gè)重要的概念(ginin)：混合異質(zhì)結(jié)（體異質(zhì)結(jié)）。20世紀(jì)70年代初期有機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)電池僅具有象征性的學(xué)術(shù)意義，其光電轉(zhuǎn)換

36、效率相當(dāng)?shù)?，只?10-4。然而自1977年導(dǎo)電聚乙炔(PA)被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，有機(jī)高分子太陽(yáng)電池受到了科學(xué)家的極大關(guān)注。以聚乙炔薄膜為電池材料的研究論文十分活躍，尤其是近年來(lái)研究開(kāi)發(fā)的導(dǎo)電聚合物為人類(rnli)提供了新的制備廉價(jià)太陽(yáng)電池的材料，使人們看到了新的希望。為了開(kāi)發(fā)有機(jī)太陽(yáng)能電池，科研工作者對(duì)各種各樣的有機(jī)染料和半導(dǎo)體聚合物進(jìn)行了廣泛的研究，取得了不少新的進(jìn)展。德國(guó)多家科研機(jī)構(gòu)最近宣布合作研制成功以普通有機(jī)聚合物為核心的太陽(yáng)能電池。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聚合塑料粒子(lz)受陽(yáng)光照射時(shí)，其表面碳原子的電子振動(dòng)明顯加快，振幅加大。但返回碳原子軌道的速度卻慢得多，這樣在若干微秒的時(shí)段內(nèi)就形成了電子

37、一空穴對(duì)，為了使這種電子一空穴對(duì)形成電流，研究人員制成了一個(gè)夾層，它一面是金屬鋁，另一面是鋅-銦金屬氧化物，中間填充塑料粒子。領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)研究的弗拉基米爾迪亞科夫稱，有機(jī)太陽(yáng)能電池板目前能產(chǎn)生800mV的電壓和每5 mA/mm2的電流，穩(wěn)定的光電轉(zhuǎn)換效率約為2%。他說(shuō)這種電池產(chǎn)生的電流是硅太陽(yáng)能電池板的1/5-1/8。但經(jīng)過(guò)改進(jìn)后可提高l0倍。目前研究人員正在設(shè)法提高有機(jī)太陽(yáng)能電池的工作穩(wěn)定性。美國(guó)亞利桑那大學(xué)的科學(xué)家通過(guò)噴墨打印的方法把有機(jī)太陽(yáng)能電池溶液印刷在紙張或塑料上，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家則采用有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料的混合物來(lái)制作太陽(yáng)能電池，他們已研制出了利用無(wú)機(jī)納米棒制作的太陽(yáng)

38、能電池。由于納米棒極其微小，科學(xué)家利用量子效應(yīng)，使它對(duì)太陽(yáng)光的某些光譜的吸收能力提高了2倍，從而提高電池的光電轉(zhuǎn)換率。這種方法可減少使用價(jià)格昂貴且制作條件相當(dāng)苛刻的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料，另外這種無(wú)機(jī)和有機(jī)半導(dǎo)體材料的混合體的制作過(guò)程可在燒杯里進(jìn)行，因而可大幅降低成本。眾所周知，用來(lái)制作光電池的基本材料是一些廉價(jià)材料，但主要費(fèi)用是花在工作裝置的裝配上，這就限制了人們廣泛利用太陽(yáng)能作為潔凈的能源。美國(guó)科學(xué)家研制的墻紙式有機(jī)太陽(yáng)能電池的效率為商用硅電池效率的1/4，但是墻紙式電池生產(chǎn)成本低廉，研究人員首先在玻璃上覆蓋一層透明的導(dǎo)電材料，以此作為太陽(yáng)能電池的電極。在導(dǎo)電層上面(shng min)再涂上薄薄的

39、一層聚合物，這層聚合物能幫助從光電材料中聚集電流。最后涂上兩種化合物的混合物，這兩種化合物能將光能轉(zhuǎn)變成電能。其中一種化合物會(huì)產(chǎn)生帶電粒子，在有光線入射時(shí)會(huì)形成電流。另一種物質(zhì)是聚合物，它能使電流到達(dá)位于太陽(yáng)能電池上下兩個(gè)面的電極上。在藍(lán)光照射下這種墻紙式太陽(yáng)能電池的效率可達(dá)到4.3%9，在白光照射(zhosh)時(shí)它們的效率稍低些。劍橋大學(xué)、劍橋顯示技術(shù)有限公司、德國(guó)麥克斯普郎克研究所的研究人員通過(guò)混合(hnh)液晶和二萘嵌苯染料制造了有機(jī)光伏電池10。研究人員在Science期刊上描述了旋涂硅晶片時(shí)，六環(huán)己苯并六苯和二萘嵌苯染料是如何形成薄膜結(jié)構(gòu)的。這種薄膜呈現(xiàn)最大外量子效率，在490nm附

40、近約34%，功率效率約為2%。盡管這種電池和其他有機(jī)太陽(yáng)能電池效率相當(dāng)，但其安裝簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉使得這種電池有望批量生產(chǎn)。在2000年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家JHendrikSchon與他的伙伴利用一種含碳基的有機(jī)物質(zhì)pentaeene來(lái)取代太陽(yáng)能電池中的矽11。研究人員把pentaeene放在一個(gè)透明的電極上，另一邊則是半導(dǎo)體物質(zhì)氧化鋅，一份白金或者其他的物質(zhì)中，將 pentaeene 夾在中間，并且發(fā)現(xiàn)界面的空隙中假如有少量的溴存在，效率會(huì)更佳。pentaeene晶體薄膜的制造利用蒸汽沉淀法可以大量制造。此太陽(yáng)能電池的最佳光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)4.5%，而且pentaeene的薄膜可以涂抹在塑料的表面

41、上使其價(jià)格較便宜，還可以彎曲的特性更可在大范圍的區(qū)域上使用。 2.1 有機(jī)太陽(yáng)能電池近期發(fā)展歷程2002年3月29日Science期刊上報(bào)導(dǎo)了加州大學(xué)化學(xué)家12發(fā)明了一個(gè)新的方法，可以將有機(jī)太陽(yáng)能電池涂在物體的表面上，它可以對(duì)可攜式電子設(shè)備及其他低耗電量電子設(shè)備提供電力。實(shí)驗(yàn)方法是：以硒化鎘制作納米管，并且盡量將納米管直徑縮小，長(zhǎng)度增加。目前的成果是：納米管與高分子P3HT(poly-(3-hexy lthiophene)混合在一起。然后將此混合物涂在透明的電極上，形成一層薄膜，最后以鋁與薄膜接觸，作這另一個(gè)電極。雖然此太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率只有1.7%，但它的美妙之處在于可以在柔軟的塑料上

42、放置太陽(yáng)能電池，可以開(kāi)發(fā)許多新穎的應(yīng)用，如在柔軟的衣服上放置電池等。 在2003年2月份的Nature期刊上報(bào)導(dǎo)了科學(xué)家McFarland和Tang設(shè)計(jì)(shj)出了一種新結(jié)構(gòu)的染料太陽(yáng)能電池13，使得內(nèi)光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到10。McFarland等人提出的結(jié)構(gòu)為一多層結(jié)構(gòu)：染料(汞紅，merbromin，即紅藥水的成份)-金(1050 nm)-二氧化鈦(200 nm)-鈦。在可見(jiàn)光照射下，汞紅吸收(xshu)了光子后，電子被激發(fā)至比金一二氧化鈦界面所形成的蕭特基勢(shì)壘(Schottky balTier，約0.9 V)還高的能級(jí)上；若這個(gè)被激發(fā)電子沒(méi)有以放光或是熱振動(dòng)的方式放出能量，也沒(méi)有在穿過(guò)金

43、層時(shí)和其他電子碰撞失去能量，就能順利跨過(guò)蕭特基勢(shì)壘到達(dá)TiO2層，然后被半導(dǎo)體的內(nèi)電場(chǎng)加速而到達(dá)收集電流的金屬層。而之所以能有高達(dá)10的被激發(fā)(jf)電子可以轉(zhuǎn)成光電流，關(guān)鍵在于被激發(fā)電子在金層中的平均自由徑約是2050 nm，而金層亦只有1050 nm厚，因此許多電子可順利穿過(guò)金層到達(dá)半導(dǎo)體層，而不發(fā)生碰撞失去能量。關(guān)于有機(jī)太陽(yáng)能電池的均相摻雜在2001年8月2日的SPIE會(huì)議上較深入和詳細(xì)的討論8，英國(guó)再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Gregg博士認(rèn)為有幾點(diǎn)條件應(yīng)當(dāng)滿足：摻雜必須固定在半導(dǎo)體晶格中；薄膜中不存在可遷移的離子；摻雜體與主體之間的化學(xué)特性應(yīng)相似、以避免相分離；摻雜體不應(yīng)形成一個(gè)深的電子陷阱

44、。以這些條件為出發(fā)，Gregg博士利用稠環(huán)芳香染料-映進(jìn)行所謂的“自我摻雜”，在摩爾分?jǐn)?shù)為1%的高摻雜濃度下，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何相分離現(xiàn)象。同時(shí)電導(dǎo)率高達(dá)001 S/cm。此外，Gregg博士還用可溶性映與聚合物摻雜，獲光電轉(zhuǎn)換效率15%的太陽(yáng)能電池，是很有希望取得近一步突破的。意大利的學(xué)者甚至直接用PPV的多聚(齊聚)體與駝相連，制備給體(PPV)-受體(駝)型太陽(yáng)能電池材料14。華東理工大學(xué)精細(xì)化工研究所合成了一系列新的具有良好的溶解比的映酰亞胺類化合物，該類化合物除具有很強(qiáng)的熒光外。還具有很高的熱穩(wěn)定性，足以應(yīng)用于有機(jī)太陽(yáng)能電池中，他們與北京大學(xué)化學(xué)系合作制備了各種敏化納米材料電極，比如SnO

45、2，ZnO等。該類敏化劑激發(fā)態(tài)能級(jí)與SnO2納米粒子導(dǎo)帶能級(jí)相匹配。能夠拓寬0TE/SnO2產(chǎn)光電流的波長(zhǎng)范圍，在40O600 nm的可見(jiàn)區(qū)范圍內(nèi)光電流覆蓋區(qū)非常寬，太陽(yáng)能電池的單色光光電轉(zhuǎn)換效率PCE值最大達(dá)24%(500nm處)15。在解決穩(wěn)定性問(wèn)題后、現(xiàn)在正著手提高光電轉(zhuǎn)換效率。3.有機(jī)(yuj)太陽(yáng)能電池的最新發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化前景3.1有機(jī)太陽(yáng)能電池(dinch)最新發(fā)展近幾年，世界各國(guó)在有機(jī)太陽(yáng)能電池的研究方面都予以了極大支持，因而其得到了迅猛的發(fā)展。2010年初(ninch)，國(guó)際上報(bào)道的有機(jī)太陽(yáng)能電池的最高光電轉(zhuǎn)化效率為7.4%16，但是僅短短1年多的時(shí)間，到2011年4月份這一數(shù)值

46、已經(jīng)提升至9.2%17。到2012年2月份通過(guò)疊層太陽(yáng)能電池使其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到8.62%18。表1中給出了近1年來(lái)國(guó)際上報(bào)道的有機(jī)太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率的發(fā)展進(jìn)程。雖然目前有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率較無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池還有不小的差距，但是大多數(shù)該領(lǐng)域的研究人員認(rèn)為通過(guò)合成性能優(yōu)良的新型有機(jī)半導(dǎo)體材料，以及對(duì)器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率將很快達(dá)到15%，而且有望在不久的將來(lái)達(dá)到20%。由此可見(jiàn)，有機(jī)太陽(yáng)能電池就效率而言很快便能達(dá)到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的要求，但是研究者普遍關(guān)心的還有電池壽命這一問(wèn)題。據(jù)美國(guó)斯坦福大學(xué)的McGehee教授報(bào)道，他們用實(shí)驗(yàn)加速裝置測(cè)試以N-9-十七烷基-2,7

47、-咔唑5,5-(4,7-二-2-噻吩基-2,1,3-苯并噻二唑)交替共聚物（PCDTBT）(分子結(jié)構(gòu)如圖3-1。圖3-1 有機(jī)太陽(yáng)能電池材料PCDTBT分子結(jié)構(gòu)18所示)作為活性材料的有機(jī)太陽(yáng)能電池的使用壽命，發(fā)現(xiàn)其壽命可達(dá)到7年之久。通過(guò)一些改善措施，有機(jī)太陽(yáng)能電池的使用壽命有望延長(zhǎng)至10年。雖然有機(jī)太陽(yáng)能電池的壽命要比結(jié)晶硅型太陽(yáng)能電池壽命（20年以上）短許多，但是因?yàn)槠渲圃斐杀疽h(yuǎn)遠(yuǎn)低于結(jié)晶硅型太陽(yáng)能電池，因此，有機(jī)太陽(yáng)能電池仍會(huì)有廣闊的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。表1 近2年來(lái)國(guó)際(guj)上已報(bào)道的有機(jī)太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率的發(fā)展情況19公司（機(jī)構(gòu)）名稱日期效率芝加哥大學(xué)(The Univers

48、ity of Chicago)2010年1月7.4%朔榮有機(jī)光電科技公司（Solarmer Energy Inc.）2010年7月8.13%赫里阿泰克公司（Heliatek）2010年10月8.30%科納卡公司（Konarka）2010年11月8.30%三菱化學(xué)（Mitsubishi Chemical）2011年4月9.2%加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）2012年2月10.6%3.2最新有機(jī)太陽(yáng)能電池(dinch)研究情況及性能提高機(jī)理世界各國(guó)科學(xué)有機(jī)太陽(yáng)能電池(dinch)研究人員都在致力于太陽(yáng)能電池效率提高的研究，而且做出了很大的成果，不斷推動(dòng)有機(jī)太陽(yáng)能事業(yè)的發(fā)展。3.2.1最新有機(jī)太陽(yáng)能

49、電池研究情況加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）亨利薩繆里工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（Henry samueli School of Engineering and Applied Science）以及加州大學(xué)洛杉磯分校加州納米技術(shù)研究院（CNSI：California Nanosystems Institute）極大地提高了聚合物太陽(yáng)能電池的性能，制成的設(shè)備具有新的“串聯(lián)”結(jié)構(gòu)，可以結(jié)合多個(gè)電池，具有不同的吸收頻段。這種設(shè)備認(rèn)證的光電轉(zhuǎn)換效率是10.6，在2011年7月就創(chuàng)造了這一世界紀(jì)錄。進(jìn)一步，研究人員集成了一種新的紅外吸收高分子材料，這種材料的開(kāi)發(fā)者是日本住友化學(xué)公司（Sumitomo Chemic

50、al），就集成到這種設(shè)備中，這種設(shè)備的架構(gòu)確實(shí)廣泛適用，光電轉(zhuǎn)換效率躍升至10.6，這又是一個(gè)新的紀(jì)錄，認(rèn)證機(jī)構(gòu)是美國(guó)能源部下屬的國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（National Renewable Energy Laboratory）。 因?yàn)槭褂玫碾姵鼐哂胁煌奈疹l段，串型太陽(yáng)能電池(疊層太陽(yáng)能結(jié)構(gòu))提供了有效途徑，可利用更廣泛的太陽(yáng)輻射。然而，效率不會(huì)自動(dòng)提高，因?yàn)橹皇?zhsh)簡(jiǎn)單地合并兩種電池。這些材料用于串聯(lián)電池，必須互相兼容 進(jìn)行高效捕光。為了更有效地使用太陽(yáng)輻射，楊陽(yáng)的研究小組堆疊起一系列的多個(gè)光敏層，以互補(bǔ)吸收光譜，這樣就制成串聯(lián)(chunlin)聚合物太陽(yáng)能電池。他們的串聯(lián)結(jié)構(gòu)包含

51、一塊正面電池，具有更大的或更高的帶隙材料，還有一塊背面電池，具有較小或較低的帶隙聚合物電池，連接是采用專門(mén)設(shè)計(jì)的夾層。電流-電壓特性和外部量子效率（EQE），屬于常規(guī)和倒置(dozh)的單電池設(shè)備。對(duì)比單層設(shè)備，這種串型設(shè)備可以更有效地利用太陽(yáng)能，尤其是可以最大限度地減少其他能量損失。因?yàn)槭褂貌恢挂环N吸光材料，每一種可以捕獲不同部分的太陽(yáng)光譜，所以，這種串聯(lián)電池可以維持電流，增加輸出電壓，這些因素可以提高效率。3.2.2使用堆疊結(jié)構(gòu)改善有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率現(xiàn)有的制備有機(jī)太陽(yáng)能電池的有機(jī)半導(dǎo)體材料都不能對(duì)太陽(yáng)光譜的整個(gè)譜帶全部產(chǎn)生響應(yīng)，只能吸收太陽(yáng)光譜某一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光，這就降低了太陽(yáng)光

52、的利用率，導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率較低。為了改善這一情況，有研究者設(shè)計(jì)出了堆疊結(jié)構(gòu)器件，這種器件是把能響應(yīng)不同太陽(yáng)光譜帶的2個(gè)太陽(yáng)能電池單元通過(guò)一個(gè)連接層聯(lián)系起來(lái)，從而使整合后的電池器件能對(duì)太陽(yáng)光譜有更廣范圍的響應(yīng)，提高太陽(yáng)光的利用率，改善電池的光電轉(zhuǎn)換效率20,21。典型的具有堆疊結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽(yáng)能電池器件的結(jié)構(gòu)圖1-11，采用這種結(jié)構(gòu)制備的有機(jī)太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓在理論上為2個(gè)單獨(dú)的電池單元的開(kāi)路電壓值的加和，而且光電轉(zhuǎn)換效率也可得到明顯改善。3.2.3使用折疊結(jié)構(gòu)改善有機(jī)太陽(yáng)能電池對(duì)太陽(yáng)光的利用率通常的有機(jī)太陽(yáng)能電池為平面結(jié)構(gòu)，但如果把有機(jī)太陽(yáng)能電池制備成V字型折疊結(jié)構(gòu)，則單位投影面積內(nèi)對(duì)太陽(yáng)光的

53、吸收則會(huì)大幅度增加。這一方面歸因于有效面積的增加 ；另一方面則因?yàn)樘?yáng)光在V字型結(jié)構(gòu)中經(jīng)反射后可增加二次吸收的概率，因而對(duì)太陽(yáng)光的利用率得到大幅提高。圖3-2為采用具有V字型折疊結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖，采用這種結(jié)構(gòu)的器件的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是適合制備交替型堆疊器件，即在V字型的一個(gè)坡面上構(gòu)筑一種電池單元（電池單元1）， 圖3-2具有V字型折疊結(jié)構(gòu)(jigu)的有機(jī)太陽(yáng)能電池22而在V字型的另一個(gè)坡面上構(gòu)筑另一種電池單元（電池單元2），從而(cng r)使有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率得到進(jìn)一步提高。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，這種結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽(yáng)能電池在光電轉(zhuǎn)換效率方面可以得到近2倍的改善22,23。3.3有機(jī)

54、太陽(yáng)能電池(dinch)產(chǎn)業(yè)化前景目前，全世界每年約有10GW左右的太陽(yáng)能電池被制造并投入使用，然而目前全球?qū)δ茉吹男枨罅繛?3TW24。隨著煤、石油、天然氣等不可再生能源的日益減少，太陽(yáng)能電池作為一種有效的清潔能源實(shí)際上需要每年以太瓦（TW）規(guī)模來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)才能夠滿足社會(huì)的需求。而要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要設(shè)法使太陽(yáng)能電池依靠低成本、能穩(wěn)定供應(yīng)的材料及簡(jiǎn)捷的生產(chǎn)工藝制造出來(lái)。有機(jī)太陽(yáng)能電池的自身特點(diǎn)完全可以滿足上述要求，而且以其目前的發(fā)展速度我們有理由相信有機(jī)太陽(yáng)能電池必將具有美好的產(chǎn)業(yè)化前景，為人類生活帶來(lái)巨大的變化。4 總 結(jié)本文首先介紹了太陽(yáng)能電池的一些基本知識(shí)，大致對(duì)太陽(yáng)能電池的發(fā)展歷程和太

55、陽(yáng)能電池的工作原理(yunl)做了一定的介紹。然后，介紹了有機(jī)太陽(yáng)能電池(dinch)的早期和近期的發(fā)展歷程，使我們對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池有了更充分的了解。最后(zuhu)，經(jīng)過(guò)大量的查閱資料，研究了有機(jī)太陽(yáng)能電池的最新發(fā)展情況，對(duì)最新的發(fā)展機(jī)理及性能特點(diǎn)做了深刻的分析，并對(duì)其產(chǎn)業(yè)化的前景進(jìn)行了展望。對(duì)我們以后太陽(yáng)能電池的發(fā)展具有深刻的影響。參考文獻(xiàn)1 S. Park, S. Beaupr, et al. Bulk heterojunction solar cells with internal quantum efficiency approaching 100&percntJ. Nature P

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