聚合物光電功能材料課件

1、有機(jī)太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介報(bào)告人： 劉 秀 勇學(xué) 號(hào)：09721388定義：定義：有機(jī)太陽(yáng)能電池，就是由有機(jī)材料構(gòu)成核心部分，基于有機(jī)半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)，通過(guò)有機(jī)材料吸收光子從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的太陽(yáng)能電池。 發(fā)展歷程和現(xiàn)狀：發(fā)展歷程和現(xiàn)狀：1958：第一個(gè)有機(jī)光電轉(zhuǎn)化器件由Kearns和Calvin制備成功，其主要材料為鎂酞菁（MgPc），夾在兩個(gè)功函數(shù)不同的電極之間。在那個(gè)器件上，他們觀測(cè)到了200 mV的開(kāi)路電壓。1986：華人鄧青云博士，改進(jìn)了器件核心結(jié)構(gòu)，由四羧基苝的一種衍生物（PV）和銅酞菁（CuPc）組成的雙層膜。他制備的太陽(yáng)能電池，光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到1左右。 1.有機(jī)太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)介：有機(jī)

2、太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)介：之后，太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高到5.4%左右。今年7月，由德國(guó)的Heliatek公司，巴斯夫公司和德累斯頓大學(xué)應(yīng)用研究所光物理聯(lián)合研發(fā)的疊層有機(jī)太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率打破了此前5.4%的世界記錄，將記錄提高為5.9%。并且該研究項(xiàng)目研究工作將持續(xù)到2011年6月。 2000年，5.R.Forrest研究小組通過(guò)在有機(jī)小分子制備的雙層結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池器件的有機(jī)層和金屬陰極之間插入BCP(Bathocuproine)薄膜層，使得器件的光電轉(zhuǎn)換效率提高到了2.4%，并且改善了器件的伏安特性曲線，提高了器件的穩(wěn)定性。2005年，A.J.Heeger等人采用在制備電極后再對(duì)器件進(jìn)行熱退火

3、處理的方法有效地提高了電池的能量轉(zhuǎn)換效率，使其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了5%。有機(jī)太陽(yáng)能電池中的基本物理過(guò)程圖光的吸收和激子的產(chǎn)生：光被有機(jī)材料吸收后激發(fā)有機(jī)分子從而產(chǎn)生激子。激子的擴(kuò)散和解離：通常激子可以被電場(chǎng)、雜質(zhì)和適當(dāng)?shù)慕缑嫠怆x。載流子的收集：由于有機(jī)太陽(yáng)能電池器件的厚度很薄，兩個(gè)電極的功函數(shù)差值建立起來(lái)的電場(chǎng)較強(qiáng)，可以較為有效地分離自由載流子形成回路2.1有機(jī)太陽(yáng)能電池中的基本物理過(guò)程：2.有機(jī)太陽(yáng)能電池機(jī)理介紹有機(jī)太陽(yáng)能電池機(jī)理介紹2.2衡量有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的基本參數(shù)短路電流（ISC）開(kāi)路電壓（VOC）填充因子（FF）外量子效率（EQE）/光電轉(zhuǎn)換效率（IPCE）能量轉(zhuǎn)換效率（

4、）3.有機(jī)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)3.1肖特基型有機(jī)太陽(yáng)能電池：首例有機(jī)太陽(yáng)能電池器件結(jié)構(gòu)，基本的物理過(guò)程為:有機(jī)半導(dǎo)體內(nèi)的電子在太陽(yáng)光照射下被從HOMO能級(jí)激發(fā)到LUMO能級(jí)，產(chǎn)生電子一空穴對(duì)。電子被低功函數(shù)的電極提取，空穴則被來(lái)自高功函數(shù)電極的電子填充，從而形成光電流。光激發(fā)形成的激子，只有在肖特基結(jié)的擴(kuò)散層內(nèi)，依靠節(jié)區(qū)的電場(chǎng)作用才能得到分離。而其它位置上形成的激子，必須先移動(dòng)到擴(kuò)散層內(nèi)才可能形成對(duì)光電流的貢獻(xiàn)。但是有機(jī)分子材料內(nèi)激子的遷移距離相當(dāng)有限的，通常小于10nm。所以大多數(shù)激子在分離成電子和空穴之前就復(fù)合掉了，導(dǎo)致了其光電轉(zhuǎn)換效率較低。3.2.雙層結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽(yáng)能電池：

5、基本物理過(guò)程為:光照射到作為給體的有機(jī)半導(dǎo)體材料上，產(chǎn)生激子，然后激子在給體和受體的界面解離，接著電子注入到作為受體的有機(jī)半導(dǎo)體材料中，空穴和電子得到分離。在這種體系中，電子給體為p型，電子受體則為n型，從而空穴和電子分別傳輸?shù)絻蓚€(gè)電極上，形成光電流。與前述“肖特基型”電池相比，此種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于引入了電荷分離的機(jī)制，使得在有機(jī)材料中產(chǎn)生的激子，可以較容易地在兩種材料的界面處解離以實(shí)現(xiàn)電荷分離，極大的提高了激子解離的效率，從而獲得電池器件效率的增大。3.3體異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽(yáng)能電池利用共扼聚合物C60體系的光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移理論,將共扼聚合物MEH一PPv和富勒烯(C00)的衍生物PCBM按一定的比

6、例摻雜制成體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，由于兩種材料互相摻雜，摻雜尺寸在幾個(gè)至幾十納米之間，這樣，在摻雜層內(nèi)任何一處形成的激子都可以在其擴(kuò)散長(zhǎng)度之內(nèi)到達(dá)界面處分離形成電荷，因而可以獲得極高的激子分離效率。3.4疊層結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池單個(gè)太陽(yáng)能電池對(duì)于太陽(yáng)光的吸收總是有一定范圍的，因?yàn)椴徽撌悄囊环N太陽(yáng)能電池材料，由于其禁帶寬度的限制，使得材料都不可能在很寬的光譜范圍內(nèi)有良好的光譜響應(yīng)，這種結(jié)構(gòu)將兩個(gè)或三個(gè)不同帶隙寬度的單結(jié)電池串聯(lián)起來(lái)，將太陽(yáng)光譜的各個(gè)波段更有效地利用，從而提高了光電轉(zhuǎn)換效率。4.有機(jī)太陽(yáng)能電池常用材料有機(jī)太陽(yáng)能電池常用材料1.分子量的大小分類:2簡(jiǎn)單的介紹常用的有機(jī)材料的結(jié)構(gòu)及光電特性: 有機(jī)小分

7、子材料有機(jī)聚合物材料小分子材料：小分子材料：是一些含共軛體系的染料分子，它們能夠很好地吸收可見(jiàn)光從而表現(xiàn)出較好的光電轉(zhuǎn)換特性，具有化合物結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性、材質(zhì)較輕、生產(chǎn)成本低、加工性能好、便于制備大面積太陽(yáng)能電池等優(yōu)點(diǎn)。但由于有機(jī)小分子材料一般溶解性較差，因而在有機(jī)太陽(yáng)能電池中一般采用蒸鍍的方法來(lái)制備小分子薄膜層。有機(jī)太陽(yáng)能電池器件中常用的小分子材料主要有酞著、葉琳、并五苯和富勒烯等聚合物材料：聚合物材料：太陽(yáng)能電池上應(yīng)用的聚合物首先必須是導(dǎo)電高分子，并且聚合物的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)都對(duì)聚合物材料的光電特性有較大影響。導(dǎo)電性聚合物的分子結(jié)構(gòu)特征是含有大的電子共扼體系，而聚合物材料的分子量影響著共扼體

8、系的程度。材料的凝聚狀態(tài)(非晶和結(jié)晶)、結(jié)晶度、晶面取向和結(jié)晶形態(tài)都會(huì)對(duì)器件光電流的大小有影響。主要的聚合物材料有聚對(duì)苯乙烯(PPv)、聚苯胺(隊(duì)Nl)和聚唆吩(PTh)以及它們的衍生物等。電極材料：電極材料：為了提高太陽(yáng)能電池器件中電子和空穴的輸出效率，要求選用功函數(shù)盡可能低的材料作為陰極和功函數(shù)盡可能高的材料作為陽(yáng)極。電極材料的選取對(duì)于確定電極與有機(jī)材料之間是否形成歐姆接觸或整流接觸有較大影響。5.有機(jī)太陽(yáng)能電池前景有機(jī)太陽(yáng)能電池前景雖然有機(jī)太陽(yáng)能電池的供電效率不如傳統(tǒng)電池的效率高，但是他的造價(jià)低廉而且還有多樣性的用途，所以它的前景一片光明！具有以下優(yōu)點(diǎn)： 有機(jī)材料合成成本低、功能易于調(diào)制

9、、柔韌性及成膜性都較好;.有機(jī)太陽(yáng)能電池加工過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單,可低溫操作,器件制作成本也較低.除此之外,有機(jī)太陽(yáng)能電池的潛在優(yōu)勢(shì)還包括：可實(shí)現(xiàn)大面積制造、可使用柔性襯底、環(huán)境友好、輕便易攜等.因而有望在手表、便攜式計(jì)算器、半透光式充電器、玩具、柔性可卷曲系統(tǒng)等體系中發(fā)揮供電作用。蔬菜工廠的柔性有機(jī)太陽(yáng)能電池 ，節(jié)能環(huán)保。主要表現(xiàn)在削減植物工廠的電力成本及CO2排放量。 日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所太陽(yáng)光發(fā)電研究中心、三菱商事和TOKKI聯(lián)合研制的觀賞植物式有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池。該電池由塑料底板、酞菁層、富勒烯層等層疊壓制而成。每個(gè)葉片包含8個(gè)約7.5 cm2的串聯(lián)太陽(yáng)能電池單元，形成了約60 cm2的太陽(yáng)

10、能電池模塊。 有機(jī)太陽(yáng)能電池技術(shù)可為小型移動(dòng)設(shè)備(例如MP3播放器)供電 有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池模塊 利用有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池模塊試制的皮包 半導(dǎo)體表面和前電極的光反射;禁帶越寬沒(méi)有吸收的光傳播越大;由高能光子在導(dǎo)帶和價(jià)帶中產(chǎn)生的電子和空穴的能量驅(qū)散;光電子和光空穴在光電池的光照面和體內(nèi)的復(fù)合;有機(jī)染料的高電阻和低的載流子遷移率。決定光電效率的基本損失機(jī)制主要有以下幾方面：6.存在及要解決的問(wèn)題存在及要解決的問(wèn)題有機(jī)太陽(yáng)能電池需要解決的問(wèn)題有機(jī)太陽(yáng)能電池要想實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，關(guān)鍵問(wèn)題是電池的各種性能參數(shù)尤其是總光電轉(zhuǎn)換效率的提高，以下是幾個(gè)關(guān)鍵的方面：電池的運(yùn)作機(jī)理：目前機(jī)理研究沒(méi)有重大的新突破，這方面是首要問(wèn)題。電池的制作材料：尋找合適的電子和空穴傳輸材料，保證電