1、有機(jī)太陽(yáng)能電池原理與發(fā)展簡(jiǎn)介,1,1 發(fā)展背景 2太陽(yáng)能電池基本原理 3有機(jī)/聚合物太陽(yáng)能電池研究進(jìn)展 4 影響有機(jī)/聚合物太陽(yáng)能電池效率的因素,2,太陽(yáng)能電池的工作基礎(chǔ)是光生伏特效應(yīng)，1839年被人發(fā)現(xiàn)。 然而直到1954年人們才發(fā)明太陽(yáng)能電池。從此太陽(yáng)能利用技術(shù)發(fā)展迅速！,1 發(fā)展背景,3,貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了第一塊太陽(yáng)能電池。其效率從1954年的6，到現(xiàn)在的25以上，此類太陽(yáng)能經(jīng)歷了單晶硅到多晶硅以及非晶硅微晶硅的發(fā)展階段。,1.1硅太陽(yáng)能電池,4,單晶硅：,優(yōu)點(diǎn)：效率高，性能穩(wěn)定,不足：效率達(dá)到極限生產(chǎn)過程耗能高，工藝繁瑣,5,優(yōu)點(diǎn)：效率高，生產(chǎn)過程耗能較少（目前在太陽(yáng)能市場(chǎng)占主導(dǎo)地位）,

2、不足：內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，強(qiáng)光下產(chǎn)生疲勞效應(yīng)，效率會(huì)變低,多晶硅,6,1.2 化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池,主要有砷化鎵（GaAs）、GuInSe2、碲化鎘太陽(yáng)能電池等。,7,優(yōu)點(diǎn)：,銅銦錫（CuInSe2，簡(jiǎn)稱CIS） 率高，制備成本低，性能穩(wěn)定。,碲化鎘（CdTe）高效廉價(jià)帶隙低（1.45eV）,砷化鎵轉(zhuǎn)換效率比較高,8,化合物半導(dǎo)體多數(shù)帶有毒性，易污染環(huán)境。,Ga、In等為比較稀有元素。目前化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池只能用在一些特殊的場(chǎng)合,砷化鎵制備成本高,缺點(diǎn)：,9,1.3 納米晶化學(xué)太陽(yáng)能電池,也叫染料敏化太陽(yáng)能電池,10,液體電解質(zhì)易泄露，不易大規(guī)模發(fā)電,納米晶 TiO2 太陽(yáng)能電池優(yōu)點(diǎn)在于它廉

3、價(jià)的成本和簡(jiǎn)單的工藝及穩(wěn)定的性能。,優(yōu)點(diǎn)：,缺點(diǎn)：,11,1.4有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池,有機(jī)太陽(yáng)能電池由于其材料來(lái)源廣泛、制作容易、成本低、柔性好等優(yōu)勢(shì)，對(duì)太陽(yáng)能電池的推廣具有重要意義,12,但有機(jī)太陽(yáng)能電池的研究才剛剛開始，電池的效率和穩(wěn)定性都太低，無(wú)法和其他太陽(yáng)能電池相比，要發(fā)展實(shí)用化，還需要進(jìn)一步的研究。,13,2太陽(yáng)能電池基本原理,太陽(yáng)能電池也叫光伏電池，其發(fā)電過程主要有三個(gè)過程。 第一，半導(dǎo)體材料吸收光能產(chǎn)生出非平衡的電子-空穴對(duì)或偶極子,14,第二，非平衡電子和空穴從產(chǎn)生處向勢(shì)場(chǎng)區(qū)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)可以是擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，也可以是漂移運(yùn)動(dòng) 第三，非平衡電子和空穴在勢(shì)場(chǎng)的作用下向相反的方向運(yùn)動(dòng)而分

4、離。,15,2.1無(wú)機(jī)硅太陽(yáng)能電池原理,入射太陽(yáng)光被吸收后直接產(chǎn)生可自由移動(dòng)的電子和空穴, 它們?cè)趐-n結(jié)本征電勢(shì)的驅(qū)動(dòng)下分別被輸送到陰極和陽(yáng)極, 然后通過外電路完成循環(huán)而做功,16,其中晶體硅作為半導(dǎo)體材料，人們對(duì)它研究得最多,技術(shù)最成熟，效率也最高，最高可達(dá)24，即在AM1.5下每平方米的電池板每小時(shí)產(chǎn)生85424 =204.96W的功率 AM即air mass，大氣質(zhì)量，AM1.5表示光強(qiáng)是85.4mW/cm2,17,在聚合物太陽(yáng)能電池中光電響應(yīng)過程是在光敏層中產(chǎn)生的. 導(dǎo)電聚合物吸收光子以后并不直接產(chǎn)生可自由移動(dòng)的電子和空穴, 而產(chǎn)生具有正負(fù)偶極的激子(exciton)，它們會(huì)以束縛的

5、形式存在。,2.2有機(jī)/聚合物太陽(yáng)能電池原理,18,通常這些電子-空穴是在光子激發(fā)時(shí)形成的 ,如果在電場(chǎng)或在界面處 ,這些電子-空穴對(duì)就會(huì)分離成電子和空穴 ,也就是所謂的帶電載流子 ,它們的遷移就形成了光電流,19,目前高分子太陽(yáng)電池面臨的最大問題是其光電轉(zhuǎn)換效率仍十分低下，通常為1%2% 根據(jù)推測(cè)，有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率如能達(dá)到10%，將具有巨大的市場(chǎng),20,3有機(jī)/聚合物太陽(yáng)能電池研究進(jìn)展,有機(jī)太陽(yáng)能電池材料根據(jù)電荷的傳輸可分為有機(jī)空穴傳輸材料（P型,電子給體簡(jiǎn)稱為D，即Donor）和有機(jī)電子傳輸材料（N 型，電子受體，簡(jiǎn)稱為A，即Acceptor）,21,D和A是有機(jī)/聚合物太陽(yáng)能

6、電池器件不可缺少的材料。,基于D和A的有機(jī)太陽(yáng)能電池器件設(shè)計(jì)方面出現(xiàn)了多種結(jié)構(gòu):單層器件、雙層或多層器件、復(fù)合層器件、層壓結(jié)構(gòu)器件,22,3.1 單層器件,只有一層同質(zhì)單一極性的有機(jī)半導(dǎo)體材料內(nèi)嵌于兩個(gè)電極之間.也稱為肖特基電池,23,3.2 雙層器件,在雙層光伏器件中, 給體和受體有機(jī)材料分層排列于兩個(gè)電極之間, 形成平面型 D-A 界面,激子的擴(kuò)散距離約為10 nm,24,3.3 復(fù)合層器件,D和A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)體相異質(zhì)結(jié),25,3.4 層壓結(jié)構(gòu)器件,層壓結(jié)構(gòu)的聚合物給體受

7、體光伏器件被認(rèn)為是雙層器件與復(fù)合體器件的中間態(tài),26,3.5 D/A二元體系,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者小分子上, 形成分子 D-A 結(jié)材料,27,4 影響有機(jī)/聚合物太陽(yáng)能電池效率的因素,目前聚合物太陽(yáng)能電池的效率還很低, 如何提高它的轉(zhuǎn)換效率是能否商業(yè)化和與傳統(tǒng)無(wú)機(jī)光伏電池競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵. 當(dāng)前限制聚合物電池轉(zhuǎn)換效率的主要因素如下.,28,4.1 光敏層的禁帶寬度,不同的太陽(yáng)能電池材料有不同的禁帶寬度，只有禁帶寬度足夠小才能，這種材料才能吸收光子并產(chǎn)生空穴電子對(duì)。 太陽(yáng)光譜的能量則主要集中在波長(zhǎng)為700 nm 左右(約 1.8 eV)的近紅外區(qū)，所以說(shuō)做太陽(yáng)能電池的光敏材料的禁帶寬度越低越好！,29,尋找光譜響應(yīng)與太陽(yáng)光相匹配的有機(jī)光敏材料就成為目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)和解決聚合物電池轉(zhuǎn)化效率低的一個(gè)突破口.,30,4.3 激子的解離,光激發(fā)有機(jī)/聚合物太陽(yáng)能電池材料產(chǎn)生偶激子后，需要分離才能向電極遷移,31,為了形成具有電荷分離作