聚合物太陽能電池光伏材料的研究進(jìn)展

1、聚合物太陽能電池光伏材料的研究進(jìn)展 聚合物太陽能電池光伏材料的研究進(jìn)展 摘要: 聚合物太陽能電池由于成本低廉、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。本文簡(jiǎn)要介紹了聚合物太陽能電池的工作原理, 對(duì)電 池光敏層結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展以及給、受體材料的種類和應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了著重分析, 最后從提高電池效率的幾 個(gè)方面展望了聚合物太陽能電池的發(fā)展方向。 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) 引言 太陽能作為一種

2、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之一是太陽能電池技術(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 晶硅電池為太陽能電池技術(shù)的研究拉開了序幕 1 3 。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 4 。 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。 本文將聚合物光敏層結(jié)構(gòu)作為側(cè)重點(diǎn), 綜述了電池光敏層結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)

3、狀以及光伏材料的研究進(jìn) 展, 并對(duì)未來太陽能電池的發(fā)展趨勢(shì)提出展望。 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(duì)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)。早期的聚合物太陽能 電池是用純聚合物聚對(duì)苯撐乙烯( ppv) 制備的單層結(jié)構(gòu)器件 5 。為了解決單層結(jié)構(gòu)電池能效低的問題, 科研 工作者將注意力集中于異質(zhì)結(jié)型聚合物太陽電池的研究與開發(fā)上。異質(zhì)結(jié)型結(jié)構(gòu)可分為雙層結(jié)構(gòu)、混合 結(jié)構(gòu)以及疊層結(jié)構(gòu)。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 1986 年, tang 等 6 制

4、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 it o/ 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, 典型雙層電池結(jié)構(gòu)如圖 2( a) 所示 7 。 1.2 體異質(zhì)結(jié)型聚合物太陽能電池 針對(duì) d/ a 雙層結(jié)太陽能電池的缺點(diǎn), yu 等 8 把電子給體 mehppv( 聚 2甲氧基5( 2 乙基) 己氧 基對(duì)苯撐乙撐) 和電子受體 pcbm( 6, 6苯基 c61 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絡(luò)狀連續(xù)相的共混薄膜, 也就是所謂的體

5、相異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)( 如 圖 2( b) 所示) , 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, 人們提出了制備疊層結(jié)構(gòu) 9 的多結(jié)聚合物太陽能電池的構(gòu)想。dennler 10 的研究團(tuán)隊(duì)在 kim 等 11 已做成的電池( 電池結(jié)構(gòu)如圖 3 所示) 基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)建 立模型, 將兩個(gè)子電池串聯(lián)起來, 以 p3ht : pc60bm 異質(zhì)結(jié)電池作為電池的底層, pcpdt bt : pc60 bm 作 為電池的頂層, 中間使用理想的完全透明的緩沖層以保證底層子電池中 pc60bm 的最低分子空余軌道 ( lu mo) 能級(jí)與頂層子電池中 pcpdt

6、bt 的最高分子占有軌道( homo) 能級(jí)相匹配, 通過理論計(jì)算得 出結(jié)論: 如果選擇合適的經(jīng)過優(yōu)化的給體材料, 運(yùn)用疊層結(jié)構(gòu), 使聚合物太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)到 15% 在技術(shù)上是完全可行的。 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 21 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 12 是一類常見的無機(jī)類電子受體。其作為 電子受體材料與電子給體形成共混型的 d/ a 型互穿絡(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

7、、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。目前這方面的工作主要集中在對(duì)無機(jī)納米晶 cds、cdse、zno、 t io2 等共混 型器件的研究上。 21 2 有機(jī)類受體材料 苝酰亞胺及其衍生物具有大的共苯環(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(shì), 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)苝灣( bayregions) 及亞胺( imide regions) 區(qū)域進(jìn)行其它給、吸電子基團(tuán)的修飾后, 可以很好地調(diào)整它的 homo 和 lu mo 能級(jí) 13 , 從而使其能夠

8、與給體材料的能級(jí)進(jìn)行很好的匹配, 提高電池器件的效率。 21 3 聚合物受體材料 通過對(duì)聚合物主鏈進(jìn)行不同取代基的修飾也可以使聚合物成為電子受體材 料。常用聚合物受體材料有 ppvs( cnppv s) 、芳雜環(huán)類聚合物和梯形聚合物等。吸電子取代基如 ! cn 等能使聚合物 lu mo 能級(jí)和 homo 能級(jí)同時(shí)降低, 而 lu mo 降低的幅度更大 14 , 從而使聚合物 成為強(qiáng)的電子受體。halls 15 對(duì) mehppv( d) 與 cnppv( a ) 構(gòu)成的本體異質(zhì)結(jié)器件的效率及光物理 性質(zhì)作了詳細(xì)的研究。zhang 等 16 將聚合物芳雜環(huán)受體 ehhppypzv 與 mehppv

9、 共混制成本體異 質(zhì)結(jié)電池, 其光電轉(zhuǎn)換效003% 。由于載荷的傳輸能力較低, 器件的能量轉(zhuǎn)換效率還有待提高。 2.2 給體材料 聚合物太陽能電池的給體材料一般為 共軛的光活性高分子材料。1977 年美國科學(xué)家 h eeger、 macdiarmid 和日本科學(xué)家白川英樹發(fā)現(xiàn)對(duì)聚乙烯( pa) 進(jìn)行 p型摻雜可以獲得高電導(dǎo)率的高分子材 料 17 , 這打破了有機(jī)高分子不能作為導(dǎo)電材料的概念, 具有重要的科學(xué)意義。以下介紹幾種常見的給體 材料。 22 1 聚吡咯( ppy) 及其衍生物 ppy 是較早引起人們關(guān)注的一類導(dǎo)電聚合物, 具有電導(dǎo)率高、易于制 備及摻雜、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。 22 2 聚芴

10、( pf) 及其衍生物 pf 及其衍生物具有較高的熱和化學(xué)穩(wěn)定性以及較好的成膜性 18 , 本征 態(tài)聚芴的帶隙較大, 通過在聚合物主鏈中引入雜環(huán)、多芳環(huán)或芳雜環(huán)分子來增大聚合物骨架的電子云密度, 或采用交替的電子給體受體體系等, 能夠有效地降低聚合物的帶隙, 以增加其在太陽能電池方面的 潛在應(yīng)用價(jià)值。 22 3 聚對(duì)苯撐乙烯( ppv) 類給體材料 ppv 類給體材料是近年來在光電領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛、制得器件 效率最高的材料之一, 它有良好的溶解性和易修飾性, 但本征態(tài) ppv 類材料對(duì)可見光區(qū)覆蓋區(qū)域比較 窄, 且能帶隙較大, 因此需要對(duì)其進(jìn)行修飾。 22 4 聚噻吩( pt h) 類給體材料

11、聚噻吩類衍生物是目前聚合物太陽能電池領(lǐng)域最為重要、最為成功 的一類共軛聚合物給體材料。經(jīng)過簡(jiǎn)單烷基取代的3烷基噻吩( p3at) 由于具有良好的溶解性、加工性、 穩(wěn)定性, 且容易得到規(guī)整的結(jié)構(gòu)而被廣泛研究 19 。 為了優(yōu)化光敏層膜的微觀形貌, botiz 等 20 的設(shè)計(jì)了新思路: 依靠聚合物的自組裝來形成理想的形 貌( 如圖 6 所示) 。這種特定的結(jié)構(gòu)能夠顯著提高載流子 遷移率, 進(jìn)而提高整個(gè)器件的效率。 3 展望 同無機(jī)太陽能電池相比, 制約聚合物太陽能電池商業(yè)化的主要因素是器件的能量轉(zhuǎn)化效率偏低, 目前最高的轉(zhuǎn)化效率 677%, 這項(xiàng)結(jié)果得到了美國國家能源部可再生能源實(shí)驗(yàn)室的驗(yàn)證 2

12、1 。而無機(jī)太陽 能電池目前最高轉(zhuǎn)化效率為247%。 結(jié)論 進(jìn)一步提高聚合物太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率、擴(kuò)大其使用范 圍, 應(yīng)從以下幾個(gè)角度作為研究出發(fā)點(diǎn): ( 1) 增加光敏層材料與太陽光譜的匹配性。太陽光能量主要集中在 14 16ev, 而目前常用共軛聚 合物如 ppv、pt h 的禁帶寬度 eg 為 2 0 22ev, 這使得太陽光譜中較大部分光子不能被有效吸收。因 此需要在已有材料基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)、開發(fā)出擁有較低能帶隙, 能夠與太陽能光譜很好匹配的導(dǎo)電聚合物材料 成為提高聚合物太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵要素之一; ( 2) 提高載流子遷移效率及電極對(duì)載流子的收集效率。載流子在給體受體界面處分離,

13、 接著在各自 材料中分別傳輸期間會(huì)受到諸如傳輸絡(luò)路徑不完整等因素的空間陷阱阻礙, 導(dǎo)致載流子遷移率降低, 這就要求人們?cè)谠O(shè)計(jì)合成材料時(shí)控制優(yōu)化光敏層材料的微觀形貌, 為載流子的形成與遷移提供良好的界 面與通道, 以利于電極對(duì)其的收集。同時(shí)電池器件結(jié)構(gòu)對(duì)材料的吸光強(qiáng)度以及載流子的遷移也有重要的 影響; ( 3) 電池的制作工藝、電池的使用壽命和穩(wěn)定性等有待進(jìn)一步研究和提高。 相信隨著研究的不斷深入, 穩(wěn)定性高、低成本、效率更高的聚合物太陽能電池能夠?yàn)槲覀兊娜粘Ｉ?帶來更多的便利。 展望 隨著目前能源短缺趨勢(shì)的不斷加劇以及人們環(huán) 保意識(shí)的不斷增強(qiáng), 太陽能的利用將會(huì)越來越受到 重視. 對(duì)于進(jìn)一步

14、提高聚合物太陽能電池的性能可 以就以下幾方面加以重點(diǎn)考慮: (1) 尋找禁帶寬度更低的光敏材料, 提高其吸收 范圍與太陽光光譜的匹配; (2) 選擇適合的金屬電極, 使正負(fù)極都能形成良 好的歐姆接觸, 以利于電荷的收集; (3) 優(yōu)化相分離復(fù)合膜的相態(tài), 控制光敏層組分 的結(jié)晶形貌, 提高載流子的遷移率, 使它們能有效和 快速地被導(dǎo)出光敏層, 以利于電極的收集; (4) 采用具有不同吸收波長范圍的多結(jié)多層結(jié) 構(gòu), 充分吸收和利用太陽光譜的能量. 參考文獻(xiàn): 1 雷永泉. 新能源材料. 天津: 天津大學(xué)出版社, 2000, 222 248. 2 張正華, 李陵嵐, 葉楚平, 楊平華. 有機(jī)太陽電

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