光伏材料概述

1、聚合物太陽能電池光伏材料摘要: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。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)太陽能作為一種易于獲取、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(guó)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。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

2、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1。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(guó)際上前沿科學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。在聚合物太陽能電池中，我們通常將P型材料稱為給體材料（D）,把N型材料稱為受體材料（A）。與無機(jī)太陽電池相比，聚合物太陽能電池的工作原理雖然也是基于PN結(jié)光生伏打效應(yīng)2，但當(dāng)光照射到聚合物電池材料時(shí)，光子被吸收后會(huì)產(chǎn)生激子（電子-空穴對(duì)）而非直接產(chǎn)生載流子（自由電子或空穴）。激子擴(kuò)散到給體受體的接觸界面后分離為自由電子和空穴，在內(nèi)建電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下自由電子通過受體材料通

3、道遷移至陽極，空穴通過給體材料通道遷移至陰極，從而產(chǎn)生光電流3（如圖1所示）。Ft太受體圖1聚合物太陽能電池原理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。以下分別概述了幾類異質(zhì)結(jié)型電池。雙層結(jié)構(gòu)電池Tang等制成了第一個(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IT0/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,其

4、優(yōu)點(diǎn)是將內(nèi)建場(chǎng)存在的結(jié)合面與金屬電極隔開,形成異質(zhì)結(jié)的D/A界面為激子的離解阱,避免了激子在電極上的失活。由于有機(jī)半導(dǎo)體之間的化合鍵作用,D/A界面的表面態(tài)減少,從而降低了表面態(tài)對(duì)載流子的陷阱作用,但其效率仍然較低,究其原因主要有:一方面,聚合物材料的光譜吸收和太陽光譜不能很好地匹配,使得在太陽輻射中很大部分的光能不能被器件所吸收產(chǎn)生光激子;另一方面由于聚合物材料較差的電荷傳輸能力，很多激子不能傳輸?shù)浇Y(jié)面而被復(fù)合損失掉。典型雙層電池結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。圖2（a）雙層聚合物太陽電池結(jié);（b）本體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽電池結(jié)構(gòu)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等把電子給體

5、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)結(jié)構(gòu)（如圖2（b）所示），這種結(jié)構(gòu)克服了雙層結(jié)構(gòu)電池D/A接觸界面小的缺點(diǎn)，大幅度增大了D/A界面,有效地實(shí)現(xiàn)了激子的分離,使其能在各自網(wǎng)絡(luò)中快速傳輸,并且電子和空穴也不容易相互接近而復(fù)合，大幅度提高了能量轉(zhuǎn)換效率。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)4的多結(jié)聚合物太陽能電池的構(gòu)想。這種結(jié)構(gòu)將不同帶隙的聚合物薄膜層在電池頂部堆砌起來

6、，拓寬了光敏層對(duì)太陽光譜的響應(yīng)范圍，使高帶隙聚合物材料層的吸收高能量光子，產(chǎn)生較高的電壓，低帶隙層吸收低能量光子，這樣形成一個(gè)序列式結(jié)構(gòu)，電池的總電壓為每一個(gè)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)子電池的電壓之和，這種結(jié)構(gòu)提高了器件的總電壓從而提高了能量轉(zhuǎn)化效率。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。受體材料無機(jī)半導(dǎo)體納米晶類受體材料無機(jī)半導(dǎo)體納米晶5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型互穿網(wǎng)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、化學(xué)穩(wěn)定性好,特別是某些

7、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。圖4苝二酰亞胺的分子結(jié)構(gòu)212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(imideregions)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LUMO能級(jí)，從而使其能夠與給體材料的能級(jí)進(jìn)行很好的匹配，提高電池器件的效率。213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(CN-P

8、PVS)、芳雜環(huán)類聚合物和梯形聚合物等。214富勒烯及其衍生物類受體材料C60作為一類性能比較優(yōu)異的受體60材料其在聚合物太陽能電池方面的應(yīng)用最為廣泛。C60衍生物PCBM擁有以下幾60個(gè)優(yōu)點(diǎn)6:(1)在聚合物與PCBM所形成的P-N結(jié)處光生載流子的傳輸速率相當(dāng)快，約為50fs以下;(2)擁有較高的電荷遷移率，如PC60BM的電子遷移率60為可以達(dá)到lcm2s-1V-1;(3)在共混膜當(dāng)中能顯示出良好的相分離。22給體材料聚合物太陽能電池的給體材料一般為n共軛的光活性高分子材料OPPV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

9、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。常見的修飾方法包括:(1)通過改進(jìn)聚合方法得到區(qū)域規(guī)整的聚合物,這種高度有序的分子結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了聚合物材料對(duì)光的吸收進(jìn)而提高了材料對(duì)載流子的遷移率7;(2)通過引入不同的取代基團(tuán)(如烷基側(cè)鏈、空穴傳輸基團(tuán)三苯胺)以提高載流子遷移率和生命時(shí)間8。為了優(yōu)化光敏層膜的微觀形貌,Botiz等9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。他們將P3HT與可降解的聚左旋丙交酯(PLLA)通過共價(jià)鍵相連形成嵌段共聚物,由于二者之間的不相容性以及PLLA的生物可降解性,微相分離之后便形成特定有序的納米尺度微觀形貌,此時(shí)可降解的PLLA能夠

10、從整個(gè)鏈段上完全去除,這為下一步C60的加入提供了完美的通道。同P3HT與PCBM的簡(jiǎn)單共混聚合物本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池相比，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。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6.77%，這項(xiàng)結(jié)果得到了美國(guó)國(guó)家能源部可再生能源實(shí)驗(yàn)室的驗(yàn)證10。而無機(jī)太陽能電池目前最高轉(zhuǎn)化效率為24.7%。為進(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。(2)提高載流子遷移效率及電極對(duì)載流子的收集效率(3)電池的

11、制作工藝、電池的使用壽命和穩(wěn)定性等有待進(jìn)一步研究和提高參考文獻(xiàn):1趙云,郭曉陽,謝志元.分子科學(xué)學(xué)報(bào),2007,23(1):18.2FehseK,WalzerK,LeoK,LovenichW,ElschnerA.AdvMater,2007,19(3):441444.3AhlswedeE,MuhleisenW,WahiMWbM,HanischJ,PowallaM.ApplPhysLett,2008,92(14):1433071433073McGeheeMD.NaturePhotonics,2009,3(5):250252.DennlerG,ScharberMC,AmeriT,DenkP,ForberichK,WaldaufC,BrabecCJ.AdvMater,2008,20(3):579583.CaiWZ,GongX,CaoY.SolEnergyMaterSolCells,2010,94(2):114127.SuzukiY,HashimotoK,TajimaK.Macromolecules,2007,40(18):65216528.HuaJ,MengFS,LiJ,DingF,