有機柔性太陽能電池

有機柔性太陽能電池第1頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概論第2頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概述主要內容：1、有機薄膜電池的結構；2、有機薄膜電池材料種類及特性；3、激子概念及類型；4、有機柔性電池發(fā)電原理；5、有機柔性電池的優(yōu)缺點第3頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概述有機薄膜電池概念：

廣義的講有機太陽能電池主要是利用有機小分子或有機高聚物來直接或間接將太陽能轉變?yōu)殡娔艿钠骷?。?頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概述有機薄膜電池的歸類：

太陽能電池材料類型第5頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概述有機薄膜電池的發(fā)展歷史：

有機太陽能電池是一種正在進行研究的新型電池。有機太陽能電池這個概念貌似很新，但其實它的歷史也不短——跟硅基太陽能電池的歷史差不多。

第一個有機光電轉化器件是由Kearns和Calvin在1958年制備的，其主要材料為鎂酞菁(MgPc)染料，染料層夾在兩個功函數(shù)不同的電極之間。在那個器件上，他們觀測到了200mV的開路電壓，光電轉化效率低得讓人都不好意思提。第6頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概述有機薄膜電池的發(fā)展歷史：

1986年，柯達公司的鄧青云博士.光電轉化效率達到1％左右。時至今日這種雙層膜異質結的結構仍然是有機太陽能電池研究的重點之一。第7頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概述有機薄膜電池的發(fā)展歷史：

1992年，土耳其人Sariciftci發(fā)現(xiàn)，激發(fā)態(tài)的電子能極快地從有機半導體分子注入到C60分子而反向的過程卻要慢得多。1993年，Sariciftci在此發(fā)現(xiàn)的基礎上制成PPV/C60雙層膜異質結太陽能電池。此后，以C60為電子受體的雙層膜異質結型太陽能電池層出不窮。第8頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概述有機薄膜電池的發(fā)展歷史：

但激子仍只能在界面區(qū)域分離，離界面較遠處產生的激子往往還沒移動到界面上就復合了。而且有機材料的導電性很差，在界面上分離出來的載流子在向電極運動的過程中大量損失。這兩點限制了雙層膜電池的光電轉化效率。研究人員在雙層膜太陽能電池的基礎上又提出了一個重要的概念：混合異質結(體異質結)電池。第9頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概述有機薄膜電池的結構：1、玻璃2、透明導電極3、有機物半導體材料4、金屬電極第10頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概述有機薄膜電池材料的類型及性質：1、施主材料

能夠吸收太陽光并產生激子（電子-空穴對）容易給出電子，吸收空穴2、受主材料

不能吸收太陽光并產生激子（電子-空穴對）容易給出空穴，吸收電子第11頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概述有機薄膜電池的結構類型：1、單層膜結構

兩個金屬電極之間夾一層有機物吸光材料。

2、雙層膜結構

由一層施主有機材料和一層受主有機材料構成，交界面為平面。第12頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概述有機薄膜電池的結構類型：3、體異質結（混合型）

施主材料和受主材料混合在一起，兩種材料的交界面不是平面。

第13頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概述激子的概念及激子類型：1、激子概念

激子是被束縛的電子空穴對，是受激后的準粒子。光照后，電子吸收光子能量后擺脫有機分子束縛成為自由電子，但是電子-空穴仍相互吸引而成為激子，即激子是存在相互作用的電子空穴對。

第14頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概述激子的概念及激子類型：2、激子類型

激子可以分為瓦尼爾-莫特激子和弗侖克爾激子。瓦尼爾-莫特激子為松束縛激子，相互作用很弱，對應能量為0.01eV。存在于晶體硅中。弗侖克爾激子為緊束縛激子，相互作用很強，對應能量為0.3eV。存在于有機施主材料中。

第15頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概述激子的概念及激子類型：3、激子自旋方向類型單線態(tài)激子

被激發(fā)的電子自旋方向與基態(tài)電子自旋方向相反。對有機電池發(fā)電有貢獻，但復合非?？?，少子壽命非常短（在納秒量級）。三線態(tài)激子

被激發(fā)的電子自旋方向與基態(tài)電子自旋方向相同。對有機電池發(fā)電無貢獻，但復合非常慢，少子壽命非常長（在毫秒量級）。

第16頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概述有機電池光伏發(fā)電原理：1、施主材料吸收太陽光，產生單線態(tài)激子。2、激子從施主材料擴散到界面處發(fā)生分離。3、空穴通過施主材料傳輸?shù)酵该麟姌O處，并被電極收集。4、電子通過受主材料傳輸?shù)诫姌O處，并被金屬電極收集。

第17頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概述有機電池光伏發(fā)電損耗：1、單線態(tài)激子壽命很短，很容易重新復合。2、分離后的電子和空穴在界面處又可能重新復合。3、半導體導電性差造成串聯(lián)電阻損失。

第18頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概述有機柔性電池的優(yōu)點：1、設備成本低。2、原材料用量少（100納米）。3、電性能可調，可以按照需要合成有機物，調節(jié)吸收光譜和導電特性。

第19頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1概述有機柔性電池的缺點：1、電子-空穴分離較難。2、有機物半導體導電性差，損耗大。3、轉換效率衰減快，使用壽命低于無機半導體電池。4、器件不易封裝嚴密，易受潮而失效。

第20頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月第二次作業(yè)1、通過對比無機薄膜電池的發(fā)電量比晶體硅電池的年發(fā)電量要高，簡述主要原因。2、簡述薄膜電池有哪些優(yōu)點。3、簡述在非晶硅三結疊層電池中，各結電池材料的特點。

第21頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月第三次作業(yè)1、簡述鎵銦銅硒（CIGS）電池有哪些優(yōu)勢。2、簡述大規(guī)模發(fā)展鎵銦銅硒和碲化鎘電池會遇到什么問題。3、簡述有機電池光伏發(fā)電原理。

第22頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2體異質結電池第23頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2體異質結電池主要內容：1、雙層膜電池結構缺點；2、體異質結電池結構優(yōu)、缺點；3、體異質結電池產生激子后的三種情況；4、施主-受主界面的形式類型；5、施主、受主材料第24頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2體異質結電池雙層膜電池結構缺點：1、電由于激子壽命非常短，在還沒有擴散到交界面分離時，就復合掉了。第25頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2體異質結電池體異質結電池結構的優(yōu)、缺點：1、縮短了激子擴散到交界面的距離，從而減少了激子的復合。2、受主材料變薄，受主吸收電子能力變差。第26頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2體異質結電池體異質結中產生激子后的三種情況：1、擴散到界面處分離為電子-空穴。2、激子復合。3、分離后的電子-空穴重新回到界面處復合。第27頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2體異質結電池施主、受主界面形式：1、雙層膜異質結。2、體異質結。3、分子異質結。第28頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2體異質結電池施主、受主界面形式：4、雙軸型聚合物。第29頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2體異質結電池施主、受主材料：1、施主材料。

常用不摻雜的共軛聚合物作施主材料，具有可溶性，第30頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2體異質結電池施主、受主材料：2、受主材料。

富勒烯衍生物作為受主材料，高度可溶。第31頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3有機柔性電池優(yōu)化第32頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3有機柔性電池優(yōu)化主要內容：1、有機柔性電池優(yōu)化方向；2、效率機極限計算；3、有機雙結疊層電池；第33頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3有機柔性電池優(yōu)化有機柔性電池優(yōu)化方向：1、促進電子-空穴的分離，減少復合。

增加退火工藝和改進溶劑2、加快載流子的傳輸減小串聯(lián)電阻損耗。

改善施主、受主材料排列的整齊性3、增加吸光的波長范圍

采用疊層電池結構設計第34頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3有機柔性電池優(yōu)化Shockley-Queisser效率極限計算：1、課本理論計算假設條件。2、有機物電池理論效率極限低于無機物電池理論效率極限。3、有機物電池理論效率極限與吸光層的厚度及復合強度有關。4、有機物的最佳帶隙大于無機物的最佳帶隙第35頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3有機柔性電池優(yōu)化有機雙結疊層電池：1、不同電池的吸光材料不同，吸收不同波段的的入射光。2、疊層電池的電流，以兩結電池電流中最小的電流為準。3、電壓為兩結電池電壓之和。第36頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4卷對卷技術第37頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4卷對卷技術主要內容：1、有機柔性電池生產技術；2、不同溶劑效果對比；3、卷對卷生產工藝；第38頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4卷對卷技術有機柔性電池生產技術：1、噴涂生產技術。2、涂刷生產技術。第39頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4卷對卷技術卷對卷生產技術：第40頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4卷對卷技術卷對卷生產技術：第41頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4卷對卷技術噴墨印刷技術：第42頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4卷對卷技術有機柔性電池生產技術：-油墨油墨由施主材料、受主材料和溶劑組成。共軛聚合物為施主材料，富勒烯為受主材料，溶劑采用四氫化奈（或68%的鄰二氯苯和32%的均三甲苯）。第43頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4卷對卷技術有機柔性電池生產技術：-ITO緩沖層聚乙撐二氧噻吩-聚乙烯磺酸鹽（PEDOT-PPS）。第44頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4卷對卷技術有機柔性電池生產技術：-電池均勻性控制1、油墨的濃度、黏度和溫度的穩(wěn)定性；2、機械結構精密保證噴涂壓力穩(wěn)定；3、襯底移動速度穩(wěn)定第45頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4卷對卷技術不同溶劑效果對比1、采用四氫化奈溶劑制備的表面比68%的鄰二氯苯和32%的均三甲苯溶劑制備的表面要粗糙。2、鄰二氯苯和均三甲苯溶劑制備的電池的短路電流和開路電壓都要高。第46頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4卷對卷技術發(fā)電纖維1、把太陽能電池集成于紡織品。

第47頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.5涂刷技術第48頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.5涂刷技術主要內容：1、涂刷技術基本要素；2、涂刷技術基本過程；3、涂刷技術與其它技術對比；第49頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.5涂刷技術涂刷技術基本要素：5、涂刷速率

涂刷速率合適，保證膜層的均勻性。第50頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.5涂刷技術涂刷技術基本工藝過程：1、油墨通過涂刷均勻涂在緩沖層PEDOT-PSS上；2、將襯底加熱到50度，使溶劑快速揮發(fā)；3、加熱到110度退火7min，使聚合物排列更整齊。第51頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.5涂刷技術其他薄膜技術：1、刮片法；2、旋涂法；3、浸涂。第52頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.5涂刷技術涂刷技術與其他薄膜技術對比：1、涂刷技術制備的薄膜均勻性好及工藝穩(wěn)定重復性好；因而電池的轉換效率要高，且轉換效率波動小。第53頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.5涂刷技術涂刷技術與其他薄膜技術對比：

體異質結是一種雙連續(xù)穿插網(wǎng)絡。第54頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.6有機柔性電池的產業(yè)化第55頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.6有機柔性電池的產業(yè)化進來有機太陽能電池效率發(fā)展：在2011年7月，加州大學洛杉磯分校加州納米技術研究院。制成的設備具有新的“串聯(lián)”結構，可以結合多個電池，具有不同的吸收頻段。這種設備認證的光電轉換效率是8.62％。進一步，研究人員集成了一種新的紅外吸收高分子材料，這種材料的開發(fā)者是日本住友化學公司，光電轉換效率躍升至10.6％。第56頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.6有機柔性電池的產業(yè)化有機太陽能電池效率提升方向第57頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.6有機柔性電池的產業(yè)化有機太陽能電池效率提升方向1、使聚合物形成小于10納米的納米結構，排列更加整齊有序；2、開發(fā)窄帶隙聚合物（1ev），提高導電性（載流子遷移率）；3、提高施主、受主界面能級差，有效分離電子-空穴（激子）；第58頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月4.6有機柔性電池的產業(yè)化美國科納卡(Konarka)公司-有機柔性電池第59頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2量子阱太陽能電池8、納米天線太陽能電池技術：采用納米材料結構，利用光是一種電磁波，利用天線對電磁波吸收的原理制成。第60頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2量子阱太陽能電池主要內容：1、第三代太陽能電池技術的類型2、各種太陽能電池技術的特點3、量子點和量子阱太陽能電池第61頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2量子阱太陽能電池量子點太陽能電池—量子點材料：

量子點(QuantumDots一QDs)是準零維的納米材料，由少量的原子所構成。是指顆粒半徑(或三個維度的尺寸)小于材料激子玻爾半徑的金屬或半導體顆粒，因此量子點又被稱為“人造原子”。第62頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2量子阱太陽能電池量子點太陽能電池—量子點材料特點：1、具有多載流子效應：一個光子產生多個電子-空穴對。2、具有熱載流子效應：在量子點中，熱載流子冷卻速率會戲劇性地減少。3、具有多帶隙的特征。第63頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2量子阱太陽能電池量子點太陽能的結構類型：1、PiN結構量子點太陽能電池。2、染料敏化量子點太陽能電池。3、量子點分布在有機物太陽能電池中。第64頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2量子阱太陽能電池量子點太陽能電池結構類型及特點：1、PiN結構量子點太陽能電池。

量子點結構位于電池的i層。起到吸收太陽能光，產生載流子的作用。第65頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2量子阱太陽能電池量子點太陽能電池結構類型及特點：2、染料敏化量子點太陽能電池。

量子點敏化電池是用量子點替代染料分子。相對于染料分子，量子點具有光學特性可調、與固態(tài)空穴導體形成更好的異質結、以及具有多載流子效應等優(yōu)勢。第66頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2量子阱太陽能電池量子點太陽能電池結構類型及特點：2、染料敏化量子點太陽能電池。

量子點敏化疊層電池，采用不同帶隙寬度的量子點材料吸收不同波段的太陽光。第67頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2量子阱太陽能電池量子點太陽能電池結構類型及特點：3、量子點分布在有機物太陽能電池中。

量子點分散在電子導電聚合物和空穴導電聚合物的混合物中（是基于量子點發(fā)光二極管的反結構）。第68頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2量子阱太陽能電池主要內容：1、第三代太陽能電池技術的類型2、各種太陽能電池技術的特點3、量子點和量子阱太陽能電池第69頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2量子阱太陽能電池量子阱太陽能電池結構類型：1、量子阱電池采用p-i-n結構；2、i層為電池的吸光材料，采用量子阱結構；3、量子阱是厚度滿足某種條件的薄膜，包括多層交替分布的勢壘層和勢阱層第70頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2量子阱太陽能電池量子阱太陽能電池結構類型：4、i層能帶結構第71頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2量子阱太陽能電池應力平衡量子阱太陽能電池特點：1、吸光范圍可以調節(jié)，易于做成多結疊層；2、晶體結構缺陷少；3、在高倍（大200倍）聚光應用的情況下，能夠重新吸收輻射復合發(fā)出的光子發(fā)電；第72頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2量子阱太陽能電池應力平衡量子阱太陽能電池特點：4、具有更高的開路電壓，因為飽和電流低。第73頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3納米太陽能電池第74頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3納米太陽能電池主要內容：1、納米太陽能電池概念2、納米太陽能電池種類3、納米太陽能電池優(yōu)點第75頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3納米太陽能電池納米太陽能電池概念

將納米技術應用于太陽能電池或太陽能電池中具有納米結構，都可叫納米太陽能電池。第76頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3納米太陽能電池納米太陽能電池種類1、鉑（Pt）電極納米化2、叢林狀或織物狀砷化鎵（GaAs）納米線作為吸光層3、采用納米金顆粒對透明導電膜進行改性4、叢林狀納米片砷化銦（InAs）作吸光層第77頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3納米太陽能電池納米太陽能電池優(yōu)點1、增加太陽光的吸收2、減少電極材料消耗3、改善透明導電膜的性能，如厚度、導電率及柔性4、縮短載流子收集距離，減少能量損失5、減低對襯底的要求第78頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4石墨烯太陽能電池第79頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4石墨烯太陽能電池主要內容：1、石墨烯材料特點2、石墨烯在太陽能電池中的應用第80頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4石墨烯太陽能電池石墨烯材料特點：1、結構特點，具有六角形兩維晶格排列單原子層薄膜結構，厚度只有0.2納米2、電子運動非?？?，導電率極高3、物理、化學性質穩(wěn)定4、制備工藝簡單，大規(guī)模生產成本低