聚合物太陽能電池及材料概述無機(jī)化學(xué)專業(yè)

1、聚合物太陽能電池及材料概述摘要：近年來隨著對(duì)能源的極大需求，太陽能電池市場(chǎng)顯示出了可觀的發(fā)展前景。而聚合物太陽能電池材料基于其合成工藝簡單、易加工、易成膜及電池制作方便等優(yōu)點(diǎn)，引起了廣大學(xué)者的廣泛關(guān)注。本文主要對(duì)聚合物太陽能電池及材料，以及聚合物太陽能電池原理和聚合方法進(jìn)行了闡述，并對(duì)太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率及相關(guān)材料的發(fā)展進(jìn)行了展望。 關(guān)鍵詞：聚合物；太陽能電池；光電轉(zhuǎn)化效率 。近年來，隨著全球能源需求量的逐年增加及一次性能源的逐漸枯竭，人們把眼光投向了氫能、太陽能等可再生能源。而太陽能是一種清潔、高效和永不衰竭的新能源，是未來最有希望的能源之一。同時(shí)，由于太陽能光伏發(fā)電具

2、有安全可靠、無污染、制約少、故障率低、且維護(hù)簡便等諸多優(yōu)點(diǎn)，從而為人類大規(guī)模利用太陽能開辟了廣闊的前景。而通過有效的現(xiàn)代技術(shù)，如真空鍍膜、分子組裝等技術(shù)所制備的柔性聚合物太陽能電池器件，成本低廉、合成工藝簡單、容易加工和成膜、電池制作的結(jié)構(gòu)可多樣化?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，聚合物太陽能電池材料的開發(fā)和研究引起了廣大科學(xué)者的廣泛關(guān)注。1 聚合物太陽能電池工作原理 聚合物太陽能電池的基本工作原理與無機(jī)太陽能電池相似，概括的說是基于半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)(pn結(jié)) 或金屬半導(dǎo)體界面附近的光生伏特效應(yīng)(Photovohaic Effect)。 具體過程為：在光照下，給體和

3、受體分子被激發(fā)至各自的激發(fā)態(tài)，即電子從最高占有分子軌道(HOMO)激發(fā)到最低未占有分子軌道(LUMO)，從而產(chǎn)生了電子一空穴對(duì)(激子)。然后，給體中的光生電子快速的轉(zhuǎn)移至受體，同時(shí)受體中的光生空穴快速的轉(zhuǎn)移至給體。這個(gè)轉(zhuǎn)移過程在幾個(gè)皮秒內(nèi)完成，從而有效地阻止了光激發(fā)元的發(fā)光復(fù)合，導(dǎo)致了高效的電荷分離。這樣，在外場(chǎng)作用下，電子和空穴分別向陽極和陰極遷移，運(yùn)動(dòng)形成了光電流。 2 聚合物太陽能電池材料 21 電子給體材料 常見的電子給體材料主要有聚對(duì)苯撐乙烯類(PPV)、聚芴類(PF)、聚噻吩類(PT)等。211 聚對(duì)苯撐乙烯(PPV)及其

4、衍生物 聚對(duì)苯乙烯類電子給體材料具有易于合成、性能比較穩(wěn)定等特點(diǎn)。目前常用的PPV材料主要有2一甲氧基一5一(2一己基己氧基)一1，4一對(duì)苯撐乙烯(MEHPPV)和聚2一甲氧基一5一(3，7一二甲基一辛氧基)對(duì)苯撐乙烯(MDMOPPV)，該類材料具有較好溶解性和較強(qiáng)的吸收峰。 212 聚芴(vr)及其衍生物 聚芴及其衍生物具有較高的熱和化學(xué)穩(wěn)定性，并通過在9位上引入柔性烷基的方法，可以提高聚芴的溶解性，從而獲得較好的薄膜。但通常過程下，聚芴具有較大的帶隙，若通過偶聯(lián)共聚的方法在主鏈中引入雜環(huán)、多芳環(huán)或芳雜環(huán)，則合成得到的窄帶隙芴基共聚物的發(fā)射光譜在可見光

5、范圍內(nèi)，從而使得該類材料在聚合物太陽能電池方面有了很大的應(yīng)用。因此，聚芴類聚合物材料是近十年來研究的較為深入和廣泛的共軛聚合物之一。 213 聚噻吩(Pr)及其衍生物 聚噻吩化合物具有類似芳香環(huán)的結(jié)構(gòu)，且環(huán)境穩(wěn)定性好、具有良好的溶解性、成膜性好、具有很高的遷移率和光譜響應(yīng)等特點(diǎn)，是做光伏電池的理想材料。而且可通過簡單的主鏈上的取代反應(yīng)來修飾聚合物改變其性能，使其帶隙降低，從而得到與太陽光譜相匹配的窄帶隙聚合物。目前研究最廣的是不同取代基的噻吩以及并噻吩基聚合物，如聚3一己基噻吩(P3HT) 、PTPTB 、PDDBT、PDDTI等。 

6、除以上幾種聚合物外，聚吡咯(PPy) 、聚苯胺等共軛聚合物作為電子給體材料的研究也較為廣泛。但由于該類聚合物的共軛性能和電荷傳輸?shù)男阅茌^差，因此得到的太陽能光伏器件的能量轉(zhuǎn)換效率較低。 22 電子受體材料 富勒烯衍生物是目前研究最多的電子受體材料。原因在于富勒烯分子為叮r電子共軛體系，具有較高的表面能，易吸收電子，且從激子中產(chǎn)生的電子可在富勒烯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中傳輸。然而，未加修飾的富勒烯分子的溶解性較差、易聚集，成膜性較差。因此，為提高其溶解性，一般采用在富勒烯分子上接枝的方法。最常見的是6，6一PCBM。通過增加聚合物薄膜中富勒烯組分的比例的方法，從而提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。 另外，C加和C 一樣，也可與共軛聚合物(如聚對(duì)苯撐乙烯衍生物、聚噻吩衍生物等)共混形成電池的活性層，因此也是很好的電子受體材料。 3.展望 雖然聚合物太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到了6左右，但是與成熟的無機(jī)太陽能電池相比，聚合物太陽能電池的光譜匹配、光電性能及穩(wěn)定性方面還較低。因此，要想獲得光譜響應(yīng)和光電轉(zhuǎn)換效率較好的聚合物