第五章塑料太陽能電池

新型能源：

聚合物太陽能電池

或塑料太陽能電池王海僑充滿危機(jī)的世界能源問題環(huán)境問題糧食問題交通問題健康問題信息問題……中國的能源狀況現(xiàn)有探明技術(shù)可開發(fā)能源總資源量超過8230億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，探明經(jīng)濟(jì)可開發(fā)剩余可采總儲(chǔ)量為1392億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，約占世界總量的10.1％。我國能源剩余可采總儲(chǔ)量的結(jié)構(gòu)為：原煤占58.8％，原油占3.4％，天然氣占1.3％，水能占36.5％。我國能源經(jīng)濟(jì)可開發(fā)剩余可采儲(chǔ)量的資源保證程度僅為129.7年，其中原煤僅為114.5年，原油僅為20.1年，天然氣僅為49.3年。能源是國民經(jīng)濟(jì)的命脈，是影響各國領(lǐng)導(dǎo)人戰(zhàn)略決策的重要因素，是許多國家制定全球戰(zhàn)略的首要問題。據(jù)國際貨幣基金組織估算，油價(jià)每上漲5美元，將是全球經(jīng)濟(jì)增長率下降約0.3百分點(diǎn)。近幾十年來，世界上發(fā)生的許多危機(jī)（如三次石油危機(jī)）、沖突都是圍繞爭(zhēng)奪能源引發(fā)的（如兩伊戰(zhàn)爭(zhēng)，前蘇聯(lián)出兵阿富汗，海灣戰(zhàn)爭(zhēng)，科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)，美國推翻塔利班，伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)等）。能源對(duì)國際的影響美國、俄羅斯、日本、歐盟、中國等許多國家針對(duì)中東、里海等石油資源展開了激烈的較量和錯(cuò)綜復(fù)雜的斗爭(zhēng)。大國對(duì)能源的競(jìng)爭(zhēng)大氣污染溫室效應(yīng)傳統(tǒng)能源的副產(chǎn)物通常，汽車消耗的汽油能量僅有２５％用于驅(qū)動(dòng)車輛，另有一半則通過車身和排氣管變?yōu)闊崃可⑹?。全球平均氣溫相?duì)之前快速攀升，海平面在過去的100年平均上升了10～25cm一是節(jié)約使用能源；二是加強(qiáng)新能源技術(shù)的研究、開發(fā)和利用，不斷擴(kuò)大利用新能源的比重。解決能源危機(jī)的途徑SolarPetroleumNaturalGas

CoalUraniumworldChina太陽能的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：普遍無害長久太陽按照目前的功率輻射能量的時(shí)間大約可以持續(xù)1010年也就是100億年。巨大地球每年接受來自太陽的能量為1.68×1024cal/年或?yàn)?.51×1018度/年的電力。這個(gè)能量比全世界每年所消耗的總能量還多3萬倍。14TW=14,000Nuclearpowerstation

SolarPoweronearth120,000TW太陽能的特點(diǎn)缺點(diǎn)：強(qiáng)度弱地球大氣外每平方米垂直于太陽光線的面積上接收到的太陽能功率只有1353w。而垂直投射到地球表面每平方米面上的太陽輻射功率就只有1367×47％＝643W，相當(dāng)于在1m2的面積上放一只643w的電爐。太陽能的特點(diǎn)缺點(diǎn)：間歇性太陽能的一個(gè)最大弱點(diǎn)就是它的間歇性，夜晚或陰雨天。不穩(wěn)定同一個(gè)地點(diǎn)在同一天日出和日落時(shí)的太陽輻射強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如正午前后；而在同一地點(diǎn)的不同季節(jié)里，冬季的太陽輻射強(qiáng)度顯然又遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上夏季。太陽能的特點(diǎn)在地球大氣層外空間，可見光譜區(qū)能量約占40.3％，紅外光譜區(qū)約占51.4％，紫外光譜約占8.3％。其中輻射能量最大的區(qū)域在可見光部分，能量分布最大值所對(duì)應(yīng)的波長則是0.475цm，屬于藍(lán)色光。在地面上，由于大氣層的存在，太陽輻射穿過大氣層時(shí)，紫外線和紅外線被大氣吸收較多，紫外區(qū)和可見區(qū)被大氣分子和云霧等質(zhì)點(diǎn)散射較多，所以太陽輻射能隨波長就比較復(fù)雜。大體情況是，晴朗的白天，太陽在中午前后的4～5h這段時(shí)間，能量最大的光是綠光和黃光部分；而在早晨和晚間這兩段時(shí)間，能量最大的光則是紅光部分。Convertsolarenergytoelectronicpowerlikeplant!

利用太陽能的新技術(shù)、新材料和新設(shè)備不斷出現(xiàn)，為太陽能的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。目前，直接利用太陽輻射能有三種方式：光—熱轉(zhuǎn)換；光—電轉(zhuǎn)換；光—化學(xué)轉(zhuǎn)換。利用太陽能的方式(1)光——熱轉(zhuǎn)換光——熱轉(zhuǎn)換就是把太陽輻射能通過各種集熱裝置（集熱器）轉(zhuǎn)變成熱能。太陽能熱發(fā)電；太陽能高溫爐冶煉高溫材料；太陽能節(jié)能建筑——太陽房；利用太陽能使海水淡化；太陽池（鹽湖水太陽能發(fā)電技術(shù)）；太陽能熱水器。(2)光——電轉(zhuǎn)換

通過光伏電池將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)變成電能。工作原理是光電效應(yīng)。已廣泛應(yīng)用于宇宙飛行器；還用來作為交通工具的能源；應(yīng)用在自動(dòng)控制領(lǐng)域；還可以用來發(fā)電（光伏電站）。(3)光——化學(xué)轉(zhuǎn)換

用光和物質(zhì)相互作用引起化學(xué)變化的過程稱光—化學(xué)轉(zhuǎn)換。綠色植物的光合作用；利用光化學(xué)電池制氫。光—化學(xué)轉(zhuǎn)換到目前為止還只限于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，沒有重大突破。三、太陽能電池太陽能電池是一種利用光生伏打效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷纸泄夥骷?。用適當(dāng)波長的光照射到某些物質(zhì)上時(shí)，其吸收光能后兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱為光生伏打效應(yīng)。這種現(xiàn)象在液體和固體物質(zhì)中都會(huì)發(fā)生，但是只有在固體中，尤其在半導(dǎo)體中，才有較高的能量轉(zhuǎn)換效率。所以，人們又常常把太陽能電池稱為半導(dǎo)體太陽能電池。無機(jī)太陽能電池一枝獨(dú)秀目前研究和應(yīng)用最為廣泛的太陽能電池主要是單晶硅、多晶硅和非晶硅電池。單晶硅、多晶硅太陽能電池已經(jīng)在小規(guī)模器件上得到商業(yè)應(yīng)用，如房屋頂上的太陽能板、便攜式計(jì)算器、抽水泵等，這些太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到24％(單晶硅商業(yè)光電轉(zhuǎn)換效率為16%~20%)，接近于理論計(jì)算值的上限33％。A5-KWpoint-focusStirlingengineconcentratorsystem(courtesyofnationalrenewableenergylaboratory)ZnSe,ZnSGaAsGeSiSiCGaNSiliconbasedsolarcellDye-sensitisedsolarcellsPolymerSolarCellSoftSubstrate

WorldRecord:41.1%efficiency

reachedformulti-junctionsolarcellsatFraunhoferISEPhotoofthenewworldrecordsolarcellmadeofGa0.35In0.65P/Ga0.83In0.17As/Gewithacellareaof5.09mm2.TheresearchteamatFraunhoferISE無機(jī)太陽能電池的問題1.單晶硅硅電池生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，要求材料純度極高，需要高溫（400-1400℃）和高真空條件，這導(dǎo)致其制造成本較高。制造這些材料電耗在太陽能電池生產(chǎn)總成本中己超1/2；且在制造的過程中會(huì)產(chǎn)生一些劇毒的物質(zhì)。其成熟的技術(shù)使光電轉(zhuǎn)換效率基本達(dá)到極限值，讓進(jìn)一步改進(jìn)受到相當(dāng)大程度的限制，而且其材料本身不利于降低成本。這些因素限制了它的大規(guī)模民用化。污染嚴(yán)重?zé)o機(jī)太陽能電池的問題2.多晶硅商業(yè)光電轉(zhuǎn)換效率約12%左右相對(duì)單晶硅，材料制造簡便,節(jié)約電耗,總的生產(chǎn)成本較低,因此得到大量發(fā)展無機(jī)太陽能電池的問題3.非晶硅薄膜電池薄膜材料能在較低的溫度下直接沉積在廉價(jià)襯底上，有大幅度降低成本的潛力適合用于建筑光伏一體化以及大型太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換效率偏低,國際先進(jìn)水平為10%左右,且不夠穩(wěn)定,常有轉(zhuǎn)換效率衰降的現(xiàn)象無機(jī)太陽能電池的問題其它無機(jī)太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率較高，如，基于砷化鎵半導(dǎo)體的光伏電池轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到了31%~32%(AM1.5G條件下)，但是材料的稀缺性與成本問題是難以克服的瓶頸問題。聚合物太陽能電池可進(jìn)行分子層次上的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，原料來源廣泛。有多種途徑可改變和提高材料光譜吸收能力，擴(kuò)展光譜吸收范圍并提高載流子遷移能力。加工性能好，可利用旋轉(zhuǎn)涂膜和流延法大面積成膜?？蛇M(jìn)行拉伸取向，使極性分子規(guī)整排列。采用LB成膜技術(shù)可在分子水平控制膜的厚度?？蛇M(jìn)行物理改性，如采用摻雜、高能離子注入或輻照處理，可提高載流子傳輸能力，減少電阻損耗，提高短路電流。電池制作多樣化，同一種類聚合物導(dǎo)電材料因?yàn)閾诫s狀態(tài)的不同，可以表現(xiàn)為不同的半導(dǎo)體類型。原料價(jià)格便宜，合成工藝比較簡單，成本較低，可以大批量工業(yè)化生產(chǎn)。polymersolarcells(PSCs)solutionprocessibilityprocessedwithspincoating、inkjetprinting、screenprinting、roll-to-rollproductionFlexibilitylowcosteco-friendlylight-weightetc.AdvantagesofPSCsoverinorganicsolarcells:abcdPicturesofroll-to-rollproductionwithPDTTDABT.(Top)Coatingofactivelayer.(Middle)CoatingofPEDOTlayer.(Bottom)Laminationofthefinishedmodulesandtestofsinglemoduleunderasolarsimulator.PDTTDABTLarge-area,flexible,andprintablepolymersolarcelldemonstratedbySiemensAG,GermanyHeeger-LowCost“Plastic”SolarCells國際上最熱的研究領(lǐng)域?qū)＜冶硎荆河袡C(jī)聚合物太陽能電池效率只要超過10%，就具有商業(yè)化應(yīng)用價(jià)值，比無機(jī)太陽能電池更有優(yōu)勢(shì)。有機(jī)太陽能電池（聚合物和小分子）的發(fā)展階段及最高效率塑料太陽能電池創(chuàng)造新紀(jì)錄一種破紀(jì)錄的聚合物太陽能電池制造成功，開發(fā)者是加州大學(xué)洛杉磯分校（UniversityofCalifornia,LosAngeles）的研究人員，可以把10.6％的太陽光能量轉(zhuǎn)化為電能。這一電池性能超過以前的紀(jì)錄，就是8.6％，那是在去年7月創(chuàng)造的，也是這同一個(gè)研究小組所做的。

發(fā)布日期：2012-02-24來源：加州大學(xué)

聚合物太陽能電池柔韌，輕便，而且有可能很便宜，但它們的性能落后于常規(guī)電池，這種電池的制備采用無機(jī)材料，比如硅。研究人員的領(lǐng)導(dǎo)是楊陽（YangYang）教授，他是加州大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)與工程教授，他們的目標(biāo)，是制成聚合物太陽能電池，可抗衡薄膜硅太陽能電池。楊陽的破紀(jì)錄電池，是因?yàn)椴捎靡环N新的光伏聚合物，開發(fā)者是一家日本公司，就是住友化學(xué)公司（SumitomoChemical），這標(biāo)志著研究人員可以更好地制作太陽能電池，就采用這些很講究的材料。新型塑料太陽能電池包含兩層，作用于不同波段的光線，一層聚合物作用于可見光，另一層作用于紅外光?！疤柟庾V非常廣，從近紅外線到紅外線再到紫外線，單一的太陽能電池成分不可能做到這一切，”楊陽說。最好的無機(jī)太陽能電池也是多層器件，但是，制備多層有機(jī)太陽能電池非常難。聚合物的印制可以采用溶液，就像油墨印在紙上，這既是一個(gè)主要的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，也是一個(gè)缺點(diǎn)，艾倫?黑格（AlanHeeger）說，他分享了2000年諾貝爾獎(jiǎng)，就是因?yàn)樗餐l(fā)現(xiàn)了導(dǎo)電聚合物?！斑@不需要高溫，因此，制造很簡單，”他說。但是，找出合適的溶劑，打印每一層電池，又不滴到它下面的一層，這是很棘手的。層數(shù)越多，問題就變得更加復(fù)雜。匹配每一層的電氣性能，也是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)橐呀?jīng)把它們連接在一起。楊陽說，他希望制成一種聚合物太陽能電池，效率達(dá)到15％。他指出，效率數(shù)字通常會(huì)下降約三分之一，因?yàn)樘柲茈姵貢?huì)走出實(shí)驗(yàn)室，并在工作模塊中出售。聚合物太陽能電池，15％的效率屬于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，制成的模塊很可能是10％的效率，楊陽認(rèn)為，這就夠好了，可以與薄膜硅太陽能電池競(jìng)爭(zhēng)。

Dresden,Germany,January16,2013–HeliatekGmbH,theleaderinorganicsolarfilms,todayannouncedarecordbreaking12.0%cellefficiencyforitsorganicsolarcells.Thisworldrecord,establishedincooperationwiththeUniversityofUlmandTUDresden,wasmeasuredbytheaccreditedtestingfacilitySGS.ThemeasurementcampaignatSGSalsovalidatedthesuperiorlowlightandhightemperatureperformancesoforganicphotovoltaics(OPV)comparedtotraditionalsolartechnologies.Newworldrecord!Heliatekworldrecordcellswith12.0%efficiencyonanactiveareaof1.1cm2.?HeliatekGmbHThankstoOPV’suniquebehaviorathightemperaturesandlowlightconditions,this12%efficiencyiscomparabletoabout14%to15%efficiencyfortraditionalsolartechnologieslikecrystallinesiliconandthinfilmPV目前太陽電池的研究主要集中于多功能新材料的開發(fā)和器件制造技術(shù)的提高。塑料太陽電池的開路電壓通常為幾百毫伏，最高可超過1000mV。因而器件內(nèi)阻過大，缺陷較多，其短路電流一般很低，為毫安級(jí)。因此提高光子的收集效率、激子的界面分離、降低太陽電池的內(nèi)阻以增加短路電流稱為塑料太陽電池的研究重點(diǎn)。圍繞提高有機(jī)太陽電池效率的研究，在過去幾年中出現(xiàn)了大量的成果。從材料的選擇上，經(jīng)歷了有機(jī)染料、有機(jī)染料/無機(jī)材料、有機(jī)染料/有機(jī)染料、有機(jī)染料/聚合物材料、聚合物材料、聚合物材料/無機(jī)材料、聚合物材料/聚合物材料等階段；在器件結(jié)構(gòu)上，經(jīng)歷了單層器件、雙層器件和多層器件等階段。TypicaldeviceconfigurationP3HTPCBM

bulk-heterojunction(BHJ)SimpliestandthemostpracticaldeviceDonorAcceptorPhotovoltaicmaterialsFullerencederivativePSC光電轉(zhuǎn)化機(jī)理-3-3.5-4-4.5-5-5.5-6HOMOHOMOLUMOLUMOAnodePEDOTPSSCathodeDONOR“P"ACCEPTOR“N"

Broadbandgap—narrowabsorptiontosunlightLowchargemobilityBigseparatedenergyofcharge—lowLUMOenergylevelofPCBMProblems:Solutions(designedstrategyforpolymermolecules):narrowbandgap—Donor-acceptorconjugatedpolymers(D-Atype)improvecoplanaritydownshifttheHOMOofphotovoltaicpolymersproblems&solutions表征電池性能的參數(shù)1.光譜響應(yīng)特性：光譜響應(yīng)特性是指太陽電池對(duì)某些特定波長的光，能給出最大的電流，產(chǎn)生最佳的響應(yīng)。也就是說，在陽光照射激發(fā)作用下，太陽電池所收集到的光生電流與照射到電池表面上的入射波長有著直接的關(guān)系。表征電池性能的參數(shù)1.光譜響應(yīng)特性光譜特性的測(cè)量是用一定強(qiáng)度的單色光照射太陽電池，測(cè)量此時(shí)的短路電流Isc；然后依次改變單色光的波長，再重新測(cè)量電流。1.光譜響應(yīng)特性在太陽電池中，只有那些能量大于其材料禁帶寬度的光子才能在被吸收時(shí)在材料中產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，而哪些能量小于禁帶寬度的光子即使被吸收也不能產(chǎn)生電子－空穴對(duì)（它們只是使材料變熱）。這就是說，材料對(duì)光的吸收存在一個(gè)截止波長（長波限）。表征電池性能的參數(shù)1.光譜響應(yīng)特性對(duì)太陽輻射光線來說，能得到最好工作性能的半導(dǎo)體材料，其截止波長應(yīng)在0.8μm以上，包括從紅色到紫色全部可見光。每種太陽電池對(duì)太陽光線，都有其自己的光譜響應(yīng)曲線。它表示電池對(duì)不同波長的光的靈敏度（光電轉(zhuǎn)換能力）。硅的光譜響應(yīng)在0.4～1.1μm的波長之間，它的最大值是在0.85μm，能吸收的太陽光總能量為76％。表征電池性能的參數(shù)表征電池性能的參數(shù)伏安特性曲線光電流工作譜反映了電池在不同波長處的光電轉(zhuǎn)化情況，而判斷太陽能電池是否有應(yīng)用前景的最直接的方法就是測(cè)定電池的輸出光電流和光電壓曲線，即I-V曲線。從伏安曲線上，可以計(jì)算太陽能電池的有關(guān)性能參數(shù)：短路電流、開路電壓、填充因子、轉(zhuǎn)換效率表征電池性能的參數(shù)2.短路光電流(Isc)：

太陽電池在短路條件下（電阻為零）的工作電流稱為短路光電流,即太陽能電池的最大輸出電流。短路光電流等于光子轉(zhuǎn)換成電子－空穴對(duì)的絕對(duì)數(shù)量。此時(shí)，電池輸出的電壓為零。短路電流受入射光強(qiáng)和內(nèi)轉(zhuǎn)換效率的影響，提高激子的有效分離程度和載流子的遷移率是提高短路電流的關(guān)鍵。表征電池性能的參數(shù)3.開路光電壓(Voc):

太陽電池在開路條件下（電阻為無窮大）的輸出電壓稱為Voc。此時(shí)，電池的輸出電流為零。對(duì)于單層聚合物太陽能電池，Voc由正負(fù)電極的功函數(shù)差決定。對(duì)于給受體異質(zhì)結(jié)型太陽能電池，常以電子給體材料的HOMO與電子受體材料的LUMO之間的能級(jí)差來界定。表征電池性能的參數(shù)具有p-n結(jié)的電池在不受光照射時(shí)，起著一個(gè)二極管的作用，外加電壓和電流之間的關(guān)系曲線叫做光電池的暗特性曲線（b曲線所示）。在一定光照下，可以得出端電壓和電路中通過負(fù)載的工作電流的關(guān)系曲線，叫做光電池的伏安特性曲線。a曲線就是太陽電池的伏安特性曲線。在一定的光照下，光生電流IL是一個(gè)常量。表征電池性能的參數(shù)4.填充因子FF:第四象限中任一工作點(diǎn)的輸出功率等于左圖中所示的矩形面積。一個(gè)特定工作點(diǎn)（Vmp，Imp）會(huì)使輸出功率（Pmax）最大。填充因子FF定義為

它是輸出特性曲線“方形”程度的量度，實(shí)用太陽能電池的填充因子應(yīng)該在0.6～0.75。理想情況下，它只是開路電壓Voc的函數(shù)。表征電池性能的參數(shù)5.光電轉(zhuǎn)換效率——入射單色光子-電子轉(zhuǎn)化效率:（monochromaticincidentphoto-to-electronconversionefficiency,IPCE）,定義為單位時(shí)間內(nèi)外電路中產(chǎn)生的電子數(shù)Ne與單位時(shí)間內(nèi)的入射單色光子數(shù)Np之比。式中，λ為入射單色光的波長；Pin為入射單色光的功率。單位分別為μAcm-2（Isc），nm（λ），Wm-2（Pin）。表征電池性能的參數(shù)短路光電流與開路光電壓是電池最重要的參數(shù)，較高的短路光電流和開路光電壓值是產(chǎn)生較高能量轉(zhuǎn)化效率的基礎(chǔ)。對(duì)于短路光電流和開路光電壓都相同的兩個(gè)電池，制約其效率大小的參數(shù)就是填充因子，填充因子大的能量轉(zhuǎn)換效率就高。表征電池性能的參數(shù)光能-電能轉(zhuǎn)換效率——總能量轉(zhuǎn)換效率又叫能量轉(zhuǎn)換效率（η）：電池的最大輸出功率與輸入光功率Pin的比值習(xí)慣上，將白光下的能量轉(zhuǎn)化效率成為總能量轉(zhuǎn)化效率，而單色光下的能量轉(zhuǎn)化效率用η（λ）表示。聚合物太陽電池器件1.單層太陽電池該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單；缺點(diǎn)是一種材料的吸收很難覆蓋整個(gè)可見光波段，光作用的有源區(qū)很薄，因此很多光生電子和空穴在通過有機(jī)或聚合物層時(shí)復(fù)合損失。2.雙層太陽電池該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是將內(nèi)建場(chǎng)存在的結(jié)合面與金屬電極隔開，有機(jī)半導(dǎo)體與電極的接觸為歐姆接觸。形成異質(zhì)結(jié)的A/D界面為激子的離解阱，避免了激子在電極上的失活。再者由于有機(jī)半導(dǎo)體之間的化合鍵作用，A/D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。缺點(diǎn)是僅允許一定薄層內(nèi)的激子到達(dá)并離解的A/D界面太小。聚合物太陽電池器件3.本體異質(zhì)結(jié)太陽電池該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是兩種材料充分混合在一起，增大了A/D接觸界面，使大多數(shù)激子都能達(dá)到A/D界面并在此離解。缺點(diǎn)是這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的兩種材料分別與相應(yīng)的電極的連接有一定的技術(shù)難度。聚合物太陽電池器件單層器件是將活性聚合物夾在兩個(gè)具有不同功函數(shù)的電極之間。由于產(chǎn)生的載流子數(shù)較少，而且電荷傳輸不平衡，所以能量轉(zhuǎn)換效率低。雙層器件是活性聚合物由p-型空穴傳導(dǎo)和n-型電子傳導(dǎo)組成（Tang,C.W.Appl.Phys.Lett.1986,48,183.），太陽能光電流得到提高。但由于激子的壽命太短，只能允許其傳遞5-14nm，供體產(chǎn)生的激子離兩種材料的界面太遠(yuǎn)，很多沒有碰到受體就馳豫到基態(tài)，導(dǎo)致吸收的光子與量子效率的損失。聚合物太陽電池器件本體異質(zhì)結(jié)（bulkheterojunctionBHJ）是將D-型和A-型兩種材料混合在一起，通過控制相分離，形成具有較大D-A界面的互穿結(jié)構(gòu)，載流子遷移和分離發(fā)生在D-A界面的幾個(gè)納米范圍內(nèi)，大大提高了電荷分離效率，因此就提高了器件的光電轉(zhuǎn)換效率。雙連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成使之在供體材料中產(chǎn)生空穴通道，在受體中產(chǎn)生電子通道，因此可以有效的收集載流子。BHJ電池-3.2eVLUMOHOMOP3HTPCBMe-h+ITOMetalEFEFhv-5.1eV-4.3eV-6.0eVBHJ電池結(jié)構(gòu)與原理示意這種結(jié)構(gòu)增大了給體－受體界面，使異質(zhì)結(jié)更加分散，減小了激子的擴(kuò)散距離，更多的激子得以到達(dá)界面進(jìn)行電荷分離，這種異質(zhì)結(jié)被稱為體相異質(zhì)結(jié)（bulkheterojunction）。另外，在這種互穿網(wǎng)絡(luò)中，空穴可以通過供體網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁吖碾姌O（如ITO、Au），電子通過受體網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降凸碾姌O（如Al、Mg等），更有利于載流子的傳輸與收集。1995年，Yu值得MEH－PPV/C60互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的太陽電池，電荷收集效率達(dá)29％，能量轉(zhuǎn)換效率為2.9％。兩指標(biāo)均較雙層或多層膜結(jié)構(gòu)有了大幅度的提高。BHJ只需要制作單層器件，就可以在活性層內(nèi)產(chǎn)生D-A異質(zhì)結(jié),所以大大簡化了器件的制備工藝，克服了多層器件加工過程中上層溶劑對(duì)底層聚合物的再溶解腐蝕問題。BHJ太陽能電池的突破受益于Sariciftci等人發(fā)現(xiàn)的共軛聚合物與富勒烯C60之間有效的電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。在共軛聚合物中光誘導(dǎo)產(chǎn)生的電子，可以在45fs內(nèi)轉(zhuǎn)移到富勒烯中，電荷分離效率接近100%。Sariciftci,N.S.;Smilowitz,L.;Heeger,A.J.;Wudl,F.Science1992,258,1474BHJ電池的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)半導(dǎo)體材料吸收光子后只能產(chǎn)生激子（緊密束縛在一起的電子空穴對(duì)），激子需要遷移到供體與受體的界面分離成載流子。激子一般壽命非常短，耗散距離只有~10nm。所以BHJ電池使得其遷移的距離最短，故有利于激子的有效分離。BHJ電池具有最大的給體與供體之間的界面面積，因此允許活性層薄膜做的很厚（一般為100-200nm），遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激子的耗散距離。厚的活性層能吸收更多的光子，所以可以產(chǎn)生更多的激子，進(jìn)而產(chǎn)生更多的載流子。互穿的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供了更多的電荷傳輸通道，有利于提高電極上電荷的收集效率。光伏聚合物材料三個(gè)發(fā)展階段第一階段：1990spoly[2-methoxy-5-(2′-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene](MEH–PPV)and(poly[2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)]-1,4-phenylenevinylene(MDMO–PPV)，轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)3.3%；第二階段：2000sP3HT，轉(zhuǎn)換效率≈5%;第三階段：從2000s后，過去幾年很多超過7%，各種窄禁帶D-A聚合物或有機(jī)小分子光伏聚合物材料P3HTChemicalStructuresofPC61BMandPC71BMHeeger聚合物的禁帶寬度和HOMO、LUMO是影響電池性能的最重要的參數(shù)。太陽中最大光子流的密度接近700nm，對(duì)應(yīng)的最低能量約為1.77eV（一般的共軛聚合物的禁帶寬度都在2.5以上）。合成窄禁帶寬度的共軛聚合物，使其吸收能覆蓋紅外和近紅外，同時(shí)具有大的消光系數(shù)非常重要。EnergydiagramofdonorandacceptorHOMO-LUMOlevelsshowingthreeintercorrelatedparameters.Egisthebandgapofthepolymer,Ed

（or△EED）istheLUMOenergydifferenceinducingadownhilldrivingforceforelectrontransfer,andVbisthebuilt-inpotentialwhichhasalinearrelationshipwiththeopen-circuitvoltage.給體材料的HOMO越低，則越容易實(shí)現(xiàn)電池大的開路電壓，但是會(huì)寬化禁帶寬度，導(dǎo)致對(duì)太陽光有效吸收的降低。另外，給體材料的LUMO能級(jí)至少要比受體材料PCBM的LUMO高0.3eV，以保證有足夠的驅(qū)動(dòng)力，并可以克服激子之間的結(jié)合力，使電子順利流向受體。所以降低給體的LUMO能級(jí)，窄化禁帶時(shí)，有可能會(huì)妨礙有效的電子轉(zhuǎn)移。分子設(shè)計(jì)要設(shè)計(jì)這樣的p-聚合物，一方面要盡量追求其具有低的禁帶寬度，同時(shí)要仔細(xì)地調(diào)整其HOMO和LUMO能級(jí)。能帶工程-窄禁帶材料Aromaticandquinoidresonanceformsofpoly(p-phenylene),poly(p-phenylenevinylene),polythiophene,andpolyisothianaphthene.TherelativecontributionofthemesomericstructuresisrepresentedbythesizeofthecoloredcirclesoverthearrowsPoly-isothianaphthene，聚異硫茚D-A聚合物-窄禁帶材料調(diào)整禁帶寬度的另一個(gè)有效方法是將富電子（D型）和缺電子（A型）的單元交替鍵接在聚合物主鏈上，這時(shí)可以得到禁帶非常窄的聚合物氫鍵使其共平面性更好ITO/PEDOT-PSS/PSBTBT:PCBM/Ca/AlJianhuiHou,…andYangYang,J.AM.CHEM.SOC.2008,130,16144–16145PCEofupto5.1%wasobservedunderAM1.5G,100mW/cm2illumination,andtheresponserangeofthedevicecoversthewholevisiblerangefrom380to800nmEHOMO=-5.05eVELUMO=-3.27eVEg=1.45eVJianhuiHou,…andYangYang,J.AM.CHEM.SOC.

2009,131,15586–15587(10月)ITO/PEDOT-PSS/Polymer:PC70BM/Ca/AlTheaveragePCEofthePBDTTT-baseddevicesreached6.3%withachampionPCEresultof6.58%.材料老化與器件壽命問題LifetimestudiesofmodulesLifetimeStudiesofLargeArea