聚合物太阳能电池课件.pptVIP

聚合物太阳能电池主讲：肖尊宏2014.6;研究背景与意义;图1 世界和中国剩余化石能源的使用年限对比;研究背景与意义;研究背景与意义;太阳能电池研究进展（三个阶段）;无机太阳能电池;图2 硅太阳能电池;薄膜太阳能电池;图3 碲化镉太阳能电池;有机太阳能电池;染料敏化太阳能电池;图3 染料敏化太阳能电池;聚合物电池优势;聚合物太阳能电池;聚合物电池现状;聚合物太阳能电池的分类;聚合物电池工作原理;2 聚合物太阳能电池的结构. 正极：ITO作为器件正极。 负极：Al或其他金属作为器件的负极。 光敏活性层：在这两层电极之间夹有一层厚度约100 nm的。 修饰层：为了改善ITO电极的界面性质以及功函，通常在其上面用旋转涂膜的方式覆盖几十纳米厚的PEDOT:PSS作为修饰层；为了改善金属负极的性质，在蒸镀Al电极之前通常预先蒸镀一层几个纳米厚的LiF或其他低功函数的活泼金属作为修饰。 ;图5 聚合物太阳能电池的结构; 聚合物太阳能电池的能量转换效率的影响因素;1.吸收入射光产生激子 吸收光谱与太阳光谱严重不匹配的问题是聚合物太阳能电池能量转换 效率较低的主要原因之一。 ;2 激子的扩散和电荷分离 聚合物吸收光子后产生的激子，需要扩散到共轭聚合物/PCBM异质结界面处才能发生电荷分离。如果激子在扩散传递过程中发生复合就对光电转换没有贡献， 造成能量的损失。一般认为，共轭聚合物中激子的扩散距离小于10nm，距离界面10 nm以远的激子难以传递到给体/受体界面处，所以对光电转换也没有贡献。因此，激子的扩散传递效率和激子在界面处的电荷分离效率也是影响聚合物太阳能电池的能量转换效率的重要因素。 ;*;3 电荷传输 由载流子迁移率低导致的电荷在传输过程中的损耗是聚合物太阳能电池能量转换效率低的又一重要原因。;4 电荷收集 电子和空穴在内建电场的作用下分别迁移到负极和正极附近，只有电极将这些电荷收集之后才能传输到电路上形成电流。影响电荷收集效率的主要因素是电极处的势垒。提高电荷收集效率可以通过调节电极材料、对电极表面进行修饰以及改善器件的制备工艺来实现。 ;共轭聚合物光伏材料1 聚对苯撑乙烯撑(PPV)衍生物;Karg等最早把PPV应用在光伏电池上,其中,2和3等效果最为突出，基于2的本体异质结太阳能电池最高效率达到了3.3%但是，它们最大吸收波长在500nm，且带隙较宽(约2. 2eV) ,太阳光利用率低,因此设计合成窄带隙PPV成为重要的研究方向。;通过在分子主链引入交替共聚的给－吸电子单元是最常见的方法之一。Yu将强吸电子取代基氰基引入PPV主链后结果发现，相对于其它PPV类材料，含氰基的PPV具有较低的LUMO和HOMO能级，更适合作为聚合物光伏电池中的电子受体材料。将4与3共混制备的器件外量子效率达到6％，能量转化效率达到0.9%。此外，另一种氰基PPV衍生物5作为电子受体，P3HT作电子给体，其转换效率高达到1.9%。;Colladet等合成的6带隙分布从1.94eV到1.55eV。其中6b的最大吸收位置在626 nm,且光学带隙为1.55eV。同时发现，6c、6d都比6a和6b的光学带隙大了0.12 eV, 其主要原因在于引入增溶作用的长烷基链造成了聚合物主链的扭曲，从而导致共轭作用的降低和带隙的变大。;Thompson等合成的8和9中，因为引入了强给电子的EDOT和吸电子的氰基导致吸收峰大幅红移到700nm左右，IPCE显示700nm以后还可以检测到光电流。同时，氰基的引入使8的LUMO和HOMO能级分别降到-3.5 eV和-5.7 eV, 抗氧化性和稳定性有了明显提高。以8/PCBM为活性层，光伏效率为0.1%。Galand 等合成了10，光谱和电化学属性变化不大，但经过器件优化后的光伏结果为Isc=1.5 mA/cm2, Voc=0.76V, FF=36%，效率0.14%，同时分析指出，聚合物载流子迁移率较低是导致较低器件结果的主要原因。 ;另一类PPV材料是在聚合物主链上并入三键，即和PPE共聚的PPV材料应用到光伏上近几年也有所报道。PPE材料的特点是主链的抗曲强度高，易聚集成膜，稳定性较PPV材料要好。Ibrahim等合成了PPE和PPV交替共聚物11和12;Egbe等也设计合成了类似的聚合物13、14， 进一步在光伏器件中证实三键引入光伏的优点。;在H. Hoppe等设计的新材料15和16中，相比2的HOMO能级为-5.26 eV, 利用炔键的吸电子性使这两个新材料的HOMO能级分别达到-5.51 eV和-5.36 eV, 进而使5的最终器件的开路电压高达0.81V, Isc=4.3 A/cm2,Voc=0.81V, F=59%，效率2.0%，这是目前主链引入炔键的PPV类材料中效率最高值。 ;