聚合物太阳能电池

1、聚合物太阳能电池2 0 1 6高材1302张凯聚合物太阳能电池发展历程和现状工作原理聚合物结构未来发展前景发展历程和现状聚合物太阳能电池是在有机太阳能电池的基础上发展起来的。有机太阳能电池是一类受光激发产生激子(电子-空穴对)并通过激子的分离产生电流的太阳能电池。激子的存在时间通常在毫秒量级以下，未经彻底分离的电子和空穴会复合释放出其吸收的能量，有机半导体中激子分离的效率对电池的光电转化效率有关键的影响。1977年,黑格等人发现，聚乙炔用I2、AsF5掺杂后电导率从10-6S/cm增加到102-103S/cm，增幅达8-9个数量级，传统意义上的绝缘体竟然表现出导体和半导体的许多光电性质，这引起

2、了科学界的极大震动，开创了第四代高分子材料导电聚合物（聚合物半导体）的新时代。1982年，温伯格等人研究了聚乙炔的光伏性质，制造出了第一个具有真正意义上的太阳电池，但是当时的转换效率极低（10-3）。紧接着，哥勒尼斯等人制作了各种聚噻吩的太阳电池，当时都面临的问题是极低的开路电压和光电转换效率。发展历程和现状1992年，萨利奇夫奇等人发现2-甲氧基-5-(2-乙基-己氧基)-1,4-苯乙炔（MEH-PPV）与C60复合体系中存在快速光诱导电子转移现象，引起了人们的极大兴趣，随之共轭聚合物/C60复合体系在太阳电池中的应用得到了迅速的发展。当时电池结构上主要采用的双层器件，而在1994年，Yu等

3、制作了第一个光伏电池，他们通过将一个MEH-PPV:C60（质量比为10:1）的混合物溶液旋涂在ITO即导电玻璃上，再在上面蒸镀了Ca电极，获得了一个5.5mA/W的光密度，比纯聚合物的光密度高了一个数量级。2004年，Alam等利用MEH-PPV为电子供体，BBL为电子受体制作的纯聚合物双层太阳电池器件的能量转换效率达到4.6（ A M 1 . 5 ，100mW/cm2），这是聚合物双层异质结电池器件报道的最高效率。2005年，Heeger课题组报道了采用新颖的器件制作方法，制作出的聚 （ 3 - 己 基 噻 吩 ）P3HT与PCBM(富勒烯衍生物）掺混的本体异质结电池薄膜经150退火后，所

4、得电池器件表现出高达5的能量转换效率（AM 1.5，80mW/cm2）。工作原理肖特基型有机太阳能电池 第一个有机光电转化器件是由 Kearns 和Calvin 在1958 年制备的，其主要材料为镁酞菁（MgPc）染料，染料层夹在两个功函数不同的电极之间。在这种有机半导体器件中，电子在光照下被从HOMO 能级激发到LUMO 能级，产生一对电子和空穴。电子被低功函数的电极提取，空穴则被来自高功函数电极的电子填充，由此在光照下形成光电流。理论上，有机半导体膜与两个不同功函数的电极接触时，会形成不同的肖特基势垒。这是光致电荷能定向传递的基础。因而此种结构的电池通常被称为“肖特基型有机太阳能电池”。双

5、层膜异质结型有机太阳能电池在肖特基型有机太阳能电池的基础上，1986 年，行业内出现了一个里程碑式的突破。实现这个突破的是柯达公司的邓青云博士。这个时代的有机太阳能电池所采用的有机材料主要还是具有高可见光吸收效率的有机染料。邓青云的器件之核心结构是由四羧基苝的一种衍生物（又称作PV）和铜酞菁（CuPc）组成的双层膜。这种太阳能电池又叫做p-n 异质结型有机太阳能电池。 1992 年，土耳其人Sariciftci 在美国发现，激发态的电子能极快地从有机半导体分子注入到C60 分子中，而反向的过程却要慢得多。也就是说，在有机半导体材料与C60 的界面上，激子可以以很高的速率实现电荷分离，而且分离之

6、后的电荷不容易在界面上复合。此后，以C60 为电子受体的双层膜异质结型太阳能电池层出不穷。工作原理混合异质结型有机太阳能电池而所谓“混合异质结”，就是将给体材料和受体材料混合起来，通过共蒸或者旋涂的方法制成一种混合薄膜。其给体和受体在混合膜里形成一个个单一组成的区域，在任何位置产生的激子都可以通过很短的路径到达给体与受体的界面（即结面），电荷分离的效率得到了提高。同时，在界面上形成的正负载流子亦可通过较短的途径到达电极，从而弥补载流子迁移率的不足。研究人员在此类太阳能电池的基础上又提出了一个重要的概念：混合异质结（BulkHeterojunction）。混合异质结概念主要针对光电转化过程中激子

7、分离和载流子传输这两方面的限制。聚合物结构聚合物太阳能电池是有机太阳能电池研究的一个组成部分。围绕提高有机太阳能电池效率的研究，在过去的几年中取得了大量成果，从材料的选择到器件结构的优化都进行了不同程度的改进。在器件设计方面有机太阳能电池出现了四种结构：单层器件、双层或多层器件、复合层器件、层压结构器件。采用这些器件结构的耳的在于通过提高有机分子材料中电荷分离和收集的效率来得到较高的电池转换效率。未来发展前景在有机太阳能电池上可体现各种颜色和图案，更加精美的设计使它们能够很好融合于建筑设计等领域。用廉价的有机太阳能电池做某些办公楼的外墙装饰可以吸收太阳能发电供楼内使用（如取暖，照明，工作用电），充分利用了能源。在衣服表层嵌入轻薄柔软的有机太阳能电池与有机发光材料，将太阳能转化为电能并储存，冬天可发热保暖，衣服在夜间也会发出各种颜色的可见光，使人们的衣服更加绚丽。与传统硅电池相比，有机太阳能电池更轻薄，在同等体积的情况下，展开后的受光面积会大大增加。因此，可将有机太阳能电池可以应用于通信卫星中，提高光电利用率。而且，由于其轻薄柔软易携带的特性，有机太阳能电池不久将能给微型电脑、数码音乐播放器、无线鼠标等小型电子设备提供能源。从目前显示器领域的发展方向来看，更大的面积、更低的成本、更加节能环保以及轻薄耐用都是热点趋势，柔性显示器不仅具有这些特性，而