新能源材料論文.docx

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1、聚合物太陽(yáng)能電池及材料概述摘要：近年來(lái)隨著對(duì)能源的極大需求，太陽(yáng)能電池市場(chǎng)顯示出了可觀的發(fā)展前景。而聚合物太陽(yáng)能電池材料基于其合成工藝簡(jiǎn)單、易加工、易成膜及電池制作方便等優(yōu)點(diǎn)，引起了廣大學(xué)者的廣泛關(guān)注。本文主要對(duì)聚合物太陽(yáng)能電池及材料，以及聚合物太陽(yáng)能電池原理和聚合方法進(jìn)行了闡述，并對(duì)太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率及相關(guān)材料的發(fā)展進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：聚合物；太陽(yáng)能電池；光電轉(zhuǎn)化效率近年來(lái)，隨著全球能源需求量的逐年增加及一次性能源的逐漸枯竭，人們把眼光投向了氫能、太陽(yáng)能等可再生能源。而太陽(yáng)能是一種清潔、高效和永不衰竭的新能源，是未來(lái)最有希望的能源之一。同時(shí)，由于太陽(yáng)能光伏發(fā)電具有安

2、全可靠、無(wú)污染、制約少、故障率低、且維護(hù)簡(jiǎn)便等諸多優(yōu)點(diǎn)，從而為人類大規(guī)模利用太陽(yáng)能開辟了廣闊的前景。而通過(guò)有效的現(xiàn)代技術(shù)，如真空鍍膜、分子組裝等技術(shù)所制備的柔性聚合物太陽(yáng)能電池器件，成本低廉、合成工藝簡(jiǎn)單、容易加工和成膜、電池制作的結(jié)構(gòu)可多樣化?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，聚合物太陽(yáng)能電池材料的開發(fā)和研究引起了廣大科學(xué)者的廣泛關(guān)注。1聚合物太陽(yáng)能電池工作原理聚合物太陽(yáng)能電池的基本工作原理與無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池相似，概括的說(shuō)是基于半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)(p—n結(jié))或金屬／半導(dǎo)體界面附近的光生伏特效應(yīng)(PhotovohaicEffect)。具體過(guò)程為：在光照下，給體和受體分子被激發(fā)至各自的激發(fā)態(tài)，即電子從

3、最高占有分子軌道(HOMO)激發(fā)到最低未占有分子軌道(LUMO)，從而產(chǎn)生了電子一空穴對(duì)(激子)。然后，給體中的光生電子快速的轉(zhuǎn)移至受體，同時(shí)受體中的光生空穴快速的轉(zhuǎn)移至給體。這個(gè)轉(zhuǎn)移過(guò)程在幾個(gè)皮秒內(nèi)完成，從而有效地阻止了光激發(fā)元的發(fā)光復(fù)合，導(dǎo)致了高效的電荷分離。這樣，在外場(chǎng)作用下，電子和空穴分別向陽(yáng)極和陰極遷移，運(yùn)動(dòng)形成了光電流。2聚合物太陽(yáng)能電池材料2．1電子給體材料常見的電子給體材料主要有聚對(duì)苯撐乙烯類(PPV)、聚芴類(PF)、聚噻吩類(PT)等。2．1．1聚對(duì)苯撐乙烯(PPV)及其衍生物聚對(duì)苯乙烯類電子給體材料具有易于合成、性能比較穩(wěn)定等特點(diǎn)。目前常用的PPV材

4、料主要有2一甲氧基一5一(2一己基己氧基)一1，4一對(duì)苯撐乙烯(MEH—PPV)和聚[2一甲氧基一5一(3’，7’一二甲基一辛氧基)]對(duì)苯撐乙烯(MDMO—PPV)，該類材料具有較好溶解性和較強(qiáng)的吸收峰。2．1．2聚芴(vr)及其衍生物聚芴及其衍生物具有較高的熱和化學(xué)穩(wěn)定性，并通過(guò)在9位上引入柔性烷基的方法，可以提高聚芴的溶解性，從而獲得較好的薄膜。但通常過(guò)程下，聚芴具有較大的帶隙，若通過(guò)偶聯(lián)共聚的方法在主鏈中引入雜環(huán)、多芳環(huán)或芳雜環(huán)，則合成得到的窄帶隙芴基共聚物的發(fā)射光譜在可見光范圍內(nèi)，從而使得該類材料在聚合物太陽(yáng)能電池方面有了很大的應(yīng)用。因此，聚芴類聚合物材料是近十年

5、來(lái)研究的較為深入和廣泛的共軛聚合物之一。2．1．3聚噻吩(Pr)及其衍生物聚噻吩化合物具有類似芳香環(huán)的結(jié)構(gòu)，且環(huán)境穩(wěn)定性好、具有良好的溶解性、成膜性好、具有很高的遷移率和光譜響應(yīng)等特點(diǎn)，是做光伏電池的理想材料。而且可通過(guò)簡(jiǎn)單的主鏈上的取代反應(yīng)來(lái)修飾聚合物改變其性能，使其帶隙降低，從而得到與太陽(yáng)光譜相匹配的窄帶隙聚合物。目前研究最廣的是不同取代基的噻吩以及并噻吩基聚合物，如聚3一己基噻吩(P3HT)、PTPTB、PDDBT、PDDTI等。除以上幾種聚合物外，聚吡咯(PPy)、聚苯胺等共軛聚合物作為電子給體材料的研究也較為廣泛。但由于該類聚合物的共軛性能和電荷傳輸?shù)男阅茌^差，

6、因此得到的太陽(yáng)能光伏器件的能量轉(zhuǎn)換效率較低。2．2電子受體材料富勒烯衍生物是目前研究最多的電子受體材料。原因在于富勒烯分子為叮r電子共軛體系，具有較高的表面能，易吸收電子，且從激子中產(chǎn)生的電子可在富勒烯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中傳輸。然而，未加修飾的富勒烯分子的溶解性較差、易聚集，成膜性較差。因此，為提高其溶解性，一般采用在富勒烯分子上接枝的方法。最常見的是[6，6]一PCBM。通過(guò)增加聚合物薄膜中富勒烯組分的比例的方法，從而提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。另外，C加和C一樣，也可與共軛聚合物(如聚對(duì)苯撐乙烯衍生物、聚噻吩衍生物等)共混形成電池的活性層，因此也是很好的電子受體材料。3.展望雖然

7、聚合物太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到了6％左右，但是與成熟的無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池相比，聚合物太陽(yáng)能電池的光譜匹配、光電性能及穩(wěn)定性方面還較低。因此，要想獲得光譜響應(yīng)和光電轉(zhuǎn)換效率較好的聚合物太陽(yáng)能電池需從以下幾點(diǎn)著手：(1)形成聚合物材料的單體具有較大的剛性結(jié)構(gòu)，且易通過(guò)烷基化等方式提高其溶解性；(2)在聚合物中引入窄帶隙的共軛單元，從而增加共軛程度，降低帶隙；(3)開發(fā)新的電子受體聚合物材料等。