光伏材料概述

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1、聚合物太陽能電池光伏材料摘要：聚合物太陽能電池由于成木低廉、輕薄靈活、光伏材料分子結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)成為近年來太陽能電池研究與開發(fā)的熱點(diǎn)。光電轉(zhuǎn)化效率較低一直是制約此類電池商業(yè)化的關(guān)鍵問題，而影響效率的因素包括電池結(jié)構(gòu)、光伏材料的選擇、以及電池的組裝技術(shù)等。關(guān)鍵詞：太陽能電池；光伏材料；工作原理；聚合物光敏層；結(jié)構(gòu)太陽能作為一種易于獲取、安全、潔凈無污染的新能源為人們解決能源危機(jī)提供了新的思路。利用太陽能最有效的方式Z—是太陽能電池技術(shù)，1954年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制出效率為6%的實(shí)用型單晶硅電池

2、為太陽能電池技術(shù)的研究拉開了序幕。目前已開發(fā)和研究的太陽能電池有硅太陽能電池、無機(jī)化合物半導(dǎo)體太陽能電池、染料敏化太陽能電池、有機(jī)小分子太陽能電池以及聚合物太陽能電池〔11。同其它幾種太陽電池相比，聚合物太陽能電池具有原料廣、成本低、光伏材料可以自行設(shè)計(jì)合成以及可制備成柔性器件等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為近年來國際上前沿科學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。在聚合物太陽能電池中，我們通常將P型材料稱為給體材料（D）,把N型材料稱為受體材料（A）。與無機(jī)太陽電池相比，聚合物太陽能電池的工作原理雖然也是基于PQN結(jié)光牛伏打效應(yīng)⑵，但當(dāng)

3、光照射到聚合物電池材料時(shí)，光子被吸收后會產(chǎn)生激子（電子-空穴對）而非直接產(chǎn)生載流子（自由電子或空穴）。激子擴(kuò)散到給體□受體的接觸界面后分離為自由電子和空穴，在內(nèi)建電場的驅(qū)動(dòng)下自由電子通過受體材料通道遷移至陽極，空穴通過給體材料通道遷移至陰極，從而產(chǎn)生光電流⑶（如圖1所示）。?受體0電子圖1聚合物太陽能電池原理1聚合物太陽能電池光敏層的結(jié)構(gòu)聚合物太陽能電池由聚合物光敏層、陰陽極以及部分調(diào)節(jié)光的附加層組成,其中聚合物光敏層的性能對整個(gè)電池的性能起著至關(guān)重要的作用，其結(jié)構(gòu)包括單層結(jié)構(gòu)和異質(zhì)結(jié)型結(jié)構(gòu)。早期的聚

4、合物太陽能電池是用純聚合物聚對苯撐乙烯(PPV)制備的單層結(jié)構(gòu)器件。以下分別概述了幾類異質(zhì)結(jié)型電池。1.1雙層結(jié)構(gòu)電池Tang等制成了第一個(gè)由電子給體CuPc和電子受體PV組成的雙層有機(jī)薄膜太陽能電池，器件結(jié)構(gòu)為IT0/CuPc/PV/Ag,器件效率為1%。此結(jié)構(gòu)作為首例異質(zhì)結(jié)型聚合物太陽能電池，其優(yōu)點(diǎn)是將內(nèi)建場存在的結(jié)合面與金屬電極隔開，形成異質(zhì)結(jié)的D/A界面為激子的離解阱，避免了激子在電極上的失活。由于有機(jī)半導(dǎo)體之間的化合鍵作用，D/A界面的表面態(tài)減少，從而降低了表面態(tài)對載流子的陷阱作用，但其效率

5、仍然較低，究其原因主要有：一方而，聚合物材料的光譜吸收和太陽光譜不能很好地匹配，使得在太陽輻射中很大部分的光能不能被器件所吸收產(chǎn)生光激子；另一方面由于聚合物材料較差的電荷傳輸能力，很多激子不能傳輸?shù)浇Y(jié)面而被復(fù)合損失掉。典型雙層電池結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。5m55fS圖2（a）雙層聚合物太陽電池結(jié)；（b）本體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽電池結(jié)構(gòu)1.2體異質(zhì)結(jié)型聚合物太陽能電池針對D/A雙層結(jié)太陽能電池的缺點(diǎn)，Yu等把電子給體MEHPPV（聚2-甲氧基5（2-乙基）己氧基-對苯撐乙撐）和電子受體PCBM（6,6-苯基C

6、61丁酸甲酯）共溶于一個(gè)有機(jī)溶劑中，然后通過旋涂等方法制成了D相和A相互相滲透并各自形成網(wǎng)絡(luò)狀連續(xù)相的共混薄膜，也就是所謂的體相異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)（如圖2（b）所示），這種結(jié)構(gòu)克服了雙層結(jié)構(gòu)電池D/A接觸界面小的缺點(diǎn)，大幅度增大了D/A界面，有效地實(shí)現(xiàn)了激子的分離，使其能在各自網(wǎng)絡(luò)中快速傳輸，并且電子和空穴也不容易相互接近而復(fù)合，大幅度提高了能量轉(zhuǎn)換效率。1.3疊層結(jié)構(gòu)的聚合物太陽能電池為了進(jìn)一步提高器件的效率，人們提岀了制備疊層結(jié)構(gòu)⑷的多結(jié)聚合物太陽能電池的構(gòu)想。這種結(jié)構(gòu)將不同帶隙的聚合物薄膜層在電池頂部堆

7、砌起來，拓寬了光敏層對太陽光譜的響應(yīng)范圍，使高帶隙聚合物材料層的吸收高能量光子，產(chǎn)生較高的屯壓，低帶隙層吸收低能量光子，這樣形成一個(gè)序列式結(jié)構(gòu)，電池的總電壓為每一個(gè)級聯(lián)結(jié)構(gòu)子電池的電壓之和，這種結(jié)構(gòu)提高了器件的總電壓從而提高了能量轉(zhuǎn)化效率。2聚合物太陽能電池光伏材料聚合物太陽能電池光伏材料主要包括電子給體和電子受體材料二大類，它們構(gòu)成P/N結(jié)或本體異質(zhì)結(jié)為此類電池的正常工作提供了保證。2.1受體材料2.1.1無機(jī)半導(dǎo)體納米晶類受體材料無機(jī)半導(dǎo)體納米晶［5］是一類常見的無機(jī)類電子受體。其作為電子受體材料

8、與電子給體形成共混型的D/A型互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)綜合了兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，既利用了無機(jī)納米晶載流子遷移率高、化學(xué)穩(wěn)定性好，特別是某些納米晶在近紅外有較強(qiáng)吸收的特點(diǎn)，又保留了聚合物材料良好的柔韌性和可加工性。圖4口花二酰亞胺的分子結(jié)構(gòu)2.1.2□有機(jī)類受體材料口花酰亞胺及其衍牛物具有大的共苯環(huán)平面和兩個(gè)亞胺環(huán)結(jié)構(gòu)，因此具有高的電子親和勢，是一類較好的N□型材料。當(dāng)在其可修飾部分(如圖4所示)1、6、7、12這4個(gè)花灣(bayregions)及亞胺(imideregi