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1、 有機太陽能電池報告 經(jīng)過這幾堂課的學習我從中學到了一些關于有機太陽能的相關知識，雖然聽進去的不多但是也有所收獲，下面簡要做下有機太陽電池的總結。 有機太陽能電池是成分全部或部分為有機物的太陽能電池，他們使用了導電聚合物或小分子用于光的吸收和電荷轉移。有機物的大量制備、相對價格低廉，柔軟等性質使其在光伏應用方面很有前途。通過改變聚合物等分子的長度和官能團可以改變有機分子的能隙，有機物的摩爾消光系數(shù)很高，使得少量的有機物就可以吸收大量的光。相對于無機太陽能電池，有機太陽能電池的主要缺點是較低的能量轉換效率，穩(wěn)定性差和強度低。 有機太陽能電池的原理： 太陽能電池的基

2、本原理是基于半導體異質結或金屬半導體界面附近的光伏效應，所以又稱為光伏電池。當光子入射到光敏材料時，激發(fā)材料內部產(chǎn)生電子和空穴對，在靜電勢能作用下分離，然后被接觸電極收集，這樣外電路就有電流通過。 在太陽光的照射下有機材料吸收光子，如果該光子的能量大于有機材料的禁帶寬度E，就會產(chǎn)生激子(電子空穴對)激子的結合能大約為0.2～1.0 eV高于相應的無機半導體激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對的結合能。因此激子不會自動解離．兩種具有不同電子親和能和電離勢的材料相結觸，接觸界面處產(chǎn)生接觸電勢差，可以驅動激子解離。 有機太陽能電池以具有光敏性質的有機物作為半導體的材料，以光伏效應而產(chǎn)生電壓形成電流。主要

3、的光敏性質的有機材料均具有共軛結構并且有導電性，如酞菁化合物、卟啉、菁（cyanine）等。 有機太陽能電池按照器件結構可基本分為3類： (1)單質結(肖特基型)有機太陽能電池 (2)異質結有機太陽能電池 (p-n 異質結 混合異質結即本體異質結 級聯(lián)結構) (3)染料敏化有機太陽能電池 單質結(肖特基型)有機太陽能電池 這是一種研究較早的太陽能電池，結構為：玻璃／電極／有機層／電極，如圖a所示： 對于單層結構的電池來說，其內建電場源于兩個電極的功函數(shù)差或者金屬與有機材料接觸而形成的肖特基勢壘。一般常用的有機光伏材料均可被制成此類太陽能電池，

4、如酞菁(phthalocyanine)、卟啉(porphyrin)、菁染料(cyanine)、導電聚合物等有機材料。 缺點在于： 電子與空穴在同一材料中傳輸，因而復合幾率較大，所以單質結有機太陽能電池的光電轉換效率低。實驗室中以聚合物或有機分子材料制備的此類電池效率最高為4％。 最新進展： 有機材料進行O2，H2，I2摻雜可提高其電導率，通過表面等離子極化(SPP)激發(fā)技術提高光吸收量，從而提高電池的光電轉換效率。 異質結有機太陽能電池 u P-n異質結有機太陽能電池的結構為：玻璃／陽極／給體材料／受體材料／金屬電極。如圖b所示： 相比于單

5、質結電池，p-n 質結電池的優(yōu)勢在于： u 對有機材料的合理選擇可以制造出寬光譜范圍響應的器件。 u 各種染料的電子施主--受主相互作用使得光生載流子的高產(chǎn)率成為可能。 缺陷在于： u 由于有效的電荷分離只發(fā)生在給受體界面處，電荷分離被限制在電池較小的區(qū)域內，從而使吸收光子的數(shù)量受到限制。所以此類有機太陽能電池的光電轉化效率仍然較低。 研究進展： 為了擴大給受體接觸面積，獲得更多的光生載流子，學者們以聚合物MEH—PPV為給體、C60衍生物PCBM作為受體構造了混合異質結有機太陽能電池。其結構為玻璃／陽極／給體+受體混合材料／金屬電極（圖c）。由于無處不在的納米尺度的界面大大增加了

6、給受體接觸面積，激子解離效率提高，使ηp進一步提高到2.9%。 本體異質結有機太陽能電池結構 u 理想情況下，在混合異質結中電荷分離與收集是等效的。但實際上混合體微觀結構是無序的，網(wǎng)絡間存在大量缺陷，從而阻礙了電荷的分離和傳輸。研究發(fā)現(xiàn)：將給體和受體通過共價鍵連接，可以很簡單地獲得微相分離的互滲雙連續(xù)網(wǎng)絡結構，基本能夠克服以上的缺陷，并且基于單一有機化合物的器件有利于獲得化合物結構與器件效率的關系。 u 混合異質結電池的研究進展 Sun等以多種非共軛柔性鏈作為連接給體和受體的橋梁，合成了有序的體異質結太陽能電池材料，制備成器件，通過空間和能級優(yōu)化減少光子吸收、激子

7、及載流子的損失，提高了電池的能量轉化效率。 u 級聯(lián)電池是一種串聯(lián)的疊層電池，是將兩個或以上的器件單元以串接的方式做成一個器件(圖ld)，以便最大限度地吸收太陽光譜，提高電池的開路電壓和效率．級聯(lián)電池可利用不同材料的不同吸收范圍，增加對太陽光譜的吸收，減少高能光子的熱損失，最終提高器件效率。 染料敏化太陽能電池 染料敏化太陽能電池的工作原理 染料敏化太陽能電池(DSSC)的基本工作原理如下：當能量低于多孔納米TiO2薄膜禁帶寬度，但等于染料分子特征吸收波長的入射光照射在多孔電極上時，吸附在多孔電極表面的染料分子中的電子受激躍遷至激發(fā)態(tài)，再注人到TiO2導帶，而染料分

8、子自身成為氧化態(tài)。注入到TiO2中的電子通過擴散富集到導電玻璃基板，然后進入外電路。處于氧化態(tài)的染料分子從電解質溶液中獲得電子而被還原成基態(tài)，電解質中被氧化的電子擴散至對電極，這就完成了一個光電化學反應的過程。在染料敏化太陽能電池(DSSC)中，光能被直接轉換成了電能，而電池內部并沒有發(fā)生凈的化學變化。 提出問題：寬帶隙半導體捕獲太陽光的能力很差，無法直接用于太陽能的轉換。 研究發(fā)現(xiàn)：將與寬帶隙半導體的導帶和價帶能量匹配的一些有機染料吸附到半導體表面上，利用有機染料對可見光的強吸收。從而將體系的光譜響應延伸到可見區(qū)，這種現(xiàn)象稱為半導體的染料敏化作用。 燃料敏化太陽能電

9、池示意圖 染料敏化層對降低電極的禁帶寬度、增強其吸收太陽光的能力、提高轉換效率具有重要的作用。因此敏化劑的選擇是制作染料敏化太陽能電池的重要環(huán)節(jié)。常用的敏化劑除聯(lián)吡啶配合物以外，還有酞菁類金屬配合物、鄰菲咯啉類配合物、卟啉類配合物等。有機染料來源豐富，具有高的光吸收率，而且具有多樣化結構，為人們進行分子設計提供了可能。 有機太陽能電池具有如下優(yōu)點： u 化學可變性大，原料來源廣泛； u 有多種途徑可改變和提高材料光譜吸收能力，擴展光譜吸收范圍，并提高載流子的傳送能力； u 加工容易，可采用旋轉法、流延法大面積成膜，還可進行拉伸取向使極性分子規(guī)整排列，采用LB膜技術在分

10、子生長方向控制膜的厚度； u 容易進行物理改性，如采用高能離子注入摻雜或輻照處理可提高載流子的傳導能力，減小電阻損耗提高短路電流； u 電池制作的結構多樣化； u 價格便宜。有機高分子半導體材料的合成工藝比較簡單，如酞菁類染料早已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，因而成本低廉。這是有機太陽能電池實用化最具有競爭能力的因素。 u 可降解，對環(huán)境的污染小。 有機太陽能電池發(fā)展前景 與傳統(tǒng)硅電池相比，有機太陽能電池更輕薄，在同等體積的情況下，展開后的受光面積會大大增加。因此，可將有機太陽能電池可以應用于通信衛(wèi)星中，提高光電利用率。而且，由于其輕薄柔軟易攜帶的特性，有機太陽能電池不久將能給微型電

11、腦、數(shù)碼音樂播放器、無線鼠標等小型電子設備提供能源。 從目前顯示器領域的發(fā)展方向來看，更大的面積、更低的成本、更加節(jié)能環(huán)保以及輕薄耐用都是熱點趨勢，柔性顯示器不僅具有這些特性，而且具有更多創(chuàng)新應用的發(fā)展?jié)摿?，從單純的面板擴大至數(shù)字出版、 會展布置、廣告媒體和建筑設計等產(chǎn)業(yè)，深入生活的不同層面，改變整個信息生活的風貌。將有機太陽能電池應用在柔性顯示器中，其廉價的成本、輕薄、環(huán)保、可折疊的性能比其它電池具有更大的優(yōu)勢。 最近，以視頻眼鏡和隨身影院為重要載體的頭戴式顯示器得到了越來越廣泛的應用和發(fā)展。采用有機太陽能電池作為電源給OLED屏幕供電，其輕便性能可以減輕重量，使得頭戴式顯示器

12、更加人性化。我們預計，有機太陽能電池與OLED的聯(lián)合使用可以引領電子設備的革命，人們生活與娛樂也將變得更加豐富多彩。 在軍事方面，有機太陽能電池與OLED技術的結合可用于集多種通訊能力于一體的護腕式通訊設備，實時觀看視頻和圖形信息，適合陸軍進行野戰(zhàn)評估。 在電力方面，有機太陽能電池除了應用在內蒙地區(qū)或遼寧西北部地區(qū)沙化土地上進行發(fā)電外，還可以用于大面積的植樹造林。采用速生的品種讓樹木在有效的生長期內快速增長，使樹木在人為的控制下像糧食一樣增產(chǎn)增收。在具體實施過程中，有機太陽能電池和太陽能抽水技術將發(fā)揮十分重要的作用。 經(jīng)計算，模擬葉綠素的有機太陽能薄膜電池理論上光電轉化效率可達6

13、0-80%，這是有機太陽能電池提高光電轉化效率的可能的重要途徑，也是一條發(fā)展的新思路。 有機太陽能電池的問題 有機材料的帶隙很大是導致有機太陽能電池相對無機太陽能電池的問題有較低的量子效率（~3%）的主要原因。材料的氧化和還原所導致的不穩(wěn)定性，重結晶和溫度變化導致了器件的衰老，每個層面都對研究者提出了很大的挑戰(zhàn)。其它重要因素還有激子擴散距離、電荷分離和電荷收集，而材料中的雜質對電荷傳導和遷移率也有影響。 以上就是我對有機太陽電池的做到報告，有些是上課所沒接觸到的但經(jīng)過一番整理和上網(wǎng)搜索讓我獲取的知識有所增加，對一些模糊的知識點也理清了，相信自己對有機太陽電池已經(jīng)知道了許多。 常州工程 光伏1121 2013.10.26 6