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性质;
结构;
原理;
现状;
Abstract
ComparedwithSi-basedsolarcells,organicsolarcellsisamajorfeatureoflightweight,softandfoldable.Asweallknow,solarpowergeneratedbytheverticallightoftheirproportionaltothearea.Iftheorganicsolarcellsdesignedforthinsoftmaterials,resembleanumbrellashape,notonlyreducesthesize,convenienttocarry,butalsoinchargeatanytimewhenthereissunshine,verypractical.
Organicandinorganicsolarcells,solarcells,therearestillmanycriticalissues,inordertoimprovetheperformanceoforganicsolarcells,variousstudiesinprogress,thestudyistofindnewmaterials,optimizingthedevicestructure,theprincipleofbattery,partofthecharacterizationmethods,theefficiencylossmechanisms,thetypicaldevicestructure,therecentdevelopmentoforganicsemiconductorsolarcellproductionprocessissimple,lowcost,althoughtheconversionefficiencyislow,butwiththedevelopmentofpotentialadvantages.Describesthebasicpropertiesoforganicsolarcells,structures,principles,researchstatusandthedefectsandcauses,andfuturetrendsarebrieflydescribed.
Keywords:
organicsolarcells;
nature;
structure;
principle;
thestatusquo;
第一章引言...............................................1
1.1有机太阳能电池的工作原理...............................2
1.2有机太阳能电池的结构及分类.................................3
第二章卟啉类光电功能材料..........................5
2.1卟啉类光电功能材料的结构....................................5
2.2卟啉类光电功能材料的工作原理................................6
2.3卟啉类光电功能材料的应用....................................6
第三章染料敏化太阳能电池.....................................7
3.1染料敏化太阳能电池的结构.............................7
3.2染料敏化太阳能电池的工作原理................................8
第四章聚合物有机太阳能电池.......................................10
4.1聚合物有机太阳能电池的工作原理................................10
4.2聚合物有机太阳能电池的性能研究............................12
第五章结论..................................16
5.1总结............................16
5.2展望......................................17
参考文献.....................................19
致谢...........................................21
第一章前言
进入21世纪以来,由于煤、石油、天然气等自然资源有限,已经不能满足人类发展的需要,环境污染也已经成为亟待解决的严重问题,同使用矿物燃料发电相比,太阳能发电有着不可比拟的优点,太阳能取之不尽,太阳几分钟射向地球的能量相当于人类一年所耗用的能量,太阳能的利用已经开始逐年增长,但目前使用的硅等太阳能电池材料,因成本太高,只能在一些特殊的场合如卫星供电,边远地区通信塔等使用,目前太阳能发电量只相当于全球总发电量的0.04%,要使太阳能发电得到大规模推广,就必须降低太阳能电池材料的成本,或找到更廉价的太阳能电池材料。
有机小分子及聚合物材料(即塑料)是人们正在考虑的一类替代材料。
目前用有机材料制备太阳能电池是国际范围内的研究热点之一。
黑格等人因发明导电塑料而获2000年诺贝尔化学奖。
改善太阳能电池的性能,降低制造成本以及减少大规模生产对环境造成的影响是未来太阳能电池发展的主要方向。
有机太阳能电池制备工艺简单,可采用真空蒸镀或涂敷的办法制备成膜。
并且可以制备在可卷曲折叠的衬底上形成柔性的太阳能电池,如图1所示[1]。
用有机材料制备太阳能电池与硅太阳能电池相比具有制造面积大、廉价、简易、柔性等优点!
目前有机太阳能电池在特定条件下光电转换率已达9.5%[2]。
人们预期,未来5-10年,第一代有机太阳能电池可进入市场。
图1塑料有机太阳能电池
国内外的研究现状:
20世纪70年代初期有机半导体太阳电池仅具有象征性的学术意义,其光电转换效率相当低,只有<
10。
然而自1977年导电聚乙炔(PA)被发现以来,有机高分子太阳电池受到了科学家的极大关注。
以聚乙炔薄膜为电池材料的研究论文十分活跃[3],尤其是近年来研究开发的导电聚合物为人类提供了新的制备廉价太阳电池的材料,使人们看到了新的希望。
为了开发有机太阳能电池,科研工作者对各种各样的有机染料和半导体聚合物进行了广泛的研究,取得了不少新的进展。
在近年的研究中,染料敏化太阳能电池(DSSCS)由于光吸收和电荷分离过程是分开的,其效率与非晶硅电池相当,也成为有机太阳能电池研究的热点。
染料敏化太阳能电池实现实际应用面临的首要问题是扩大电池面积。
2007年荷兰能量研究基金会报道了面积为2.36cm2的电池,效率达到了8.2%。
王孔嘉等在2005--2006年连续报道了有效面积达60%以上的10.2cm2、187.2cm2,300cm2和1497.6cm2的电池,效率也分别达到7.4%、5.9%、5.0%和5.7%旧.目前他们已经完成了60W的小型电站,并且正在筹建500W的电站,为国内的DSSCS应用奠定了良好的基础。
我国目前对有机太阳能电池的研究也已经取得了不少成果.其中,黄春辉等在有机染料的优化方面取得了较好的结果;
肖绪瑞等在半固态电解质等方面取得了一定的进展;
孟庆波等在固态电解质和阵列电极等方面有所创新;
戴松元等对染料敏化太阳能电池组件及封装技术进行了较系统的研究.有机太阳能电池的研究与应用均取得了很大进展,这使人类对这种太阳能的利用向前跨进了一大步,为有机太阳能电池从实验室走向市场积累了经验.如果能在光电转换性能上取得进一步的突破,将有可能在生产实践中得到广泛应用,其市场前景将十分巨大.目前需要做的是从廉价易得的原料出发,有针对性地设计合成一些化合物,对光诱导电子转移过程和机制进行研究,以指导材料的设计合成.同时还需要对现有的材料体系进行复合优化,以取得最大效率.更加深入地研究有机太阳能电池能量损失机制,创造出适合应用的新颖价廉的太阳能电池。
1.1有机太阳能电池的工作原理
有机太阳能电池利用的也是光伏效应[4].。
有机太阳能电池在太阳光的照射下有机材料吸收光子,如果该光子的能量大于有机材料的禁带宽度Eg就会使得产生激子。
图2就是给体-受体(Donor-Acceptor)结构。
受激发的电子给体吸收光子,其HOMO轨道上的一个电子跃迁到LUMO通常由于给体LUMO的电离势比受体LUMO的电离势低,电子就由给体转移到受体,完成了电子的转移。
激子分离后产生的电子和空穴向相反的方向运动,被收集在相应的电极上,就形成了光电压。
其中无机太阳能电池是通过掺杂微量的杂质元素(如P、N等),改变载流子浓度,从而提高电导率。
而有机太阳能电池的导电机理则更为复杂,有机太阳能电池的主要特征是存在共轭键,其中σ键定域性较强,而π键电子定域性较弱。
在掺杂原子(O、N、S、N等)作用下,π键分子轨道可发生简并,从而形成一系列扩展的电子状态,即能带。
π成键轨道与π﹡反键轨道分别与聚合物的价带和导带相对应。
图2有机太阳能电池原理图
1.2有机太阳能电池的结构及分类
有机太阳能电池的结构有:
单质结结构,异质结结构,混合异质结结构
单质结结构:
最简单的结构就是两个电极之夹着一层有机材料的单质结器件,见图3。
电极一般都是ITO和低功函数金属Al、Ca、Mg.对于单层结构电池来说,其内建电场起源于两个电极的功函数差异或者金属-有机染料接触而形成的Schottky-barrier.该电场使得材料吸收光子产生的激子分离,从而产生了正负电子。
图3
异质结结构:
对于单层器件,激子的扩散长度很短使得产生的激子容易复合。
我们用给体-受体异质结结构可以提高激子的分离几率!
而且也增宽了器件吸收太阳光谱的带宽。
混合异质结结构:
单纯的异质结结构由于接触面积有限,使得产生的光生载流子有限。
为了获得更多的光生载流子必须扩大异质结构的接触面积。
有机太阳能电池的分类:
有机太阳能电池是酞菁锌、聚苯胺、聚对苯撑乙炔等有机半导体形成的异质结电池,有机太阳能电池具有无机太阳能电池所无法比拟的优点:
可制备在柔性衬底上;
可采用印刷或打印的方式实现工业化生产;
可大面积制备;
较低的生产成本;
绿色能源,无环境污染。
目前有机太阳能电池主要分为敏化纳米晶太阳能电池,有机小分子太阳能
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