有机太阳能电池

1、姓名：陈立峰班级：应用化学1班21学号：201212020121 摘 要作为取之不尽、用之不竭、无污染的可再生与清洁能源，太阳能的充分利 用是解决目前人类所面临的能源短缺和环境污染等问题的根本途径。实现廉价的 太阳能发电，是人类梦寐以求的追求。在过去几十年中，以硅基为代表的无机半 导体太阳能电池技术得到充分的发展，已经实现实用化。但是，由于其生产工艺 复杂、成本高、不易实现大面积器件以及制造过程中带来的严重环境污染，限制 了硅基太阳能电池的大规模推广应用。给实用化带来不便。而有机太阳能电池的 活性层基本采用固态的有机聚合物半导体材料，具有一些独特优势：(1)有机材 料质量轻、柔韧性好(2)有机

2、材料可以进行化学设计、裁剪和合成。无资源存量 的限制(3)电池器件制备工艺简单，可采取印刷、喷墨、打印等溶液加工法，成 本低(4)容易制备大面积和柔性器件。因此，有机太阳能电池自从发明以来，引 起了科学家的极大兴趣。关键词有机太阳能电池、材料、固体电解质；最新进展，转化效率刖言1随着化石能源的逐渐枯竭及伴随的环境恶化，人们迫切需求对环境友好的可再 生能源.太阳能是目前最具前景的新型能源：用之不竭，且太阳能的使用不会破 坏地球生态及环境;安全，无污染;利用成本低，且不受地理条件限制.太阳能利 用的形式多种多样，其中太阳能电池技术可将太阳能直接转利用太阳能的方式 1954年，贝尔实验室报道了光电转

3、换效率达6 %的太阳能电池，标志着实用化 太阳能研究的开始1 .到20世纪70年代，用于卫星的半导体硅太阳能的 光电转换效率已经达到了 15 %20 %.而随后出现的半导体液结太阳能电池标 传统的太阳能电池是利用半导体的特性，在硅材料的基础上制作太阳能电池。目 前占市场主流的太阳能电池是硅太阳能电池。硅太阳能电池又可以分为：单晶太 阳能电池，多晶硅太阳能电池，非晶硅薄膜太阳能电池。硅太阳能电池明显的优 势已经在多个领域显现出来，如航天领域，军事等领域。虽然传统的硅太阳能电 池有比较的优势，但是由于受到材料和技术两大瓶颈的制约生产的成本还是很 高，发出1kw的电需要上千美元，因此大规模的使用依然

4、要受到经济的制约，从 另一方面上讲生产的技术依然受到限制，硅太阳能电池的光电转化效率已经到达 到理论上的极限，无法提高其转化效率。无机太阳能电池的工艺复杂而且制造设 备昂贵，使其很难在价格上得到打幅度的消减。太阳能电池在应用上追求的不是 效率而是成本价格。从20世纪70年代开始人们就越来越关注有机太阳能的研制。 在导电聚合物上研发利用取得很大的进步，使有机半导体成为硅半导体的替代品 的潜能。有机导电聚合物有其独特的优势：有机分子可以经过加工，不需要得到 晶体状无机半导体。特别是聚合物半导体的优越性是与廉价的加工技术联系在一 起。大量的研究表明，导电聚合物是集各种性能于一身的半导体材料。随着有机

5、 薄膜聚合物的快速发展，为有机薄膜太阳能电池的发展，提供有力的支持。有机 薄膜太阳能电池也是一种薄膜器件，现在的各种成熟的薄膜制造技术为有机薄膜 太阳能电池的发展提供技术保障。有机聚合物太阳能电池的优点在于具有可重复 利用，质量轻，柔性强，对环境无污染，低成本，制作过程简易迅速等优点。 有机太阳能电池这个概念貌似很新，但其实它的历史也不短一跟硅基太阳能电池 的历史差不多。第一个硅基太阳能电池是贝尔实验室在1954年制造出来的，它 的太阳光电转化效率约为6%；而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

6、的电极之间。在那个器件上，他们观测到了 200 mV的开路电压，光电转化 效率低得让人都不好意思提。此后二十多年间，有机太阳能电池领域内创新不多，所有报道的器件之结构 都类似于1958年版，只不过是在两个功函数不同的电极之间换用各种有机半导 体材料。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”。1986年，行业内出现了一个里程碑式的突破。实现这个突破的是位华人， 柯达公司的邓青云博士。这个时

7、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。这些染料通常也被用作感光材料，这自然 是柯达的强项。邓青云的器件之核心结构是由四羧基菲的一种衍生物（邓老管它 叫PV）和铜酞菁（CuPc）组成的双层膜。双层膜的本质是一个异质结，邓老的 思路是用两种有机半导体材料来模仿无机异质结太阳能电池。他制备的太阳能电 池，光电转化效率达到1%左右。虽然还是跟硅电池差得很远，但相对于以往的 肖特基型电池却是一个很大的提高。这是一个成功的思路，为有机太阳能电池研 究开拓了一个新的方向，时至今日这种双层膜异质结的结构仍然是有机太阳能电 池研究的重点之一。到了 1992年，土耳其人Sa

8、riciftci （读作萨利奇夫奇）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（其结构如图2-1）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 近几年，世界各国在有机太阳能电池的研究方面都予以了极大支持，因而其得到 了迅猛的发展。2010年初，国际上报道的有机太阳能电池的最高光电转化效率 为7.4%16，但是仅短短1年多的时间，到2011年4月份这一数值已经提升至 9.2%17。到2012年2月份通过叠层太阳能电池使其光电转换效率达到8.62%网。 表1中给出了近1年来国际上报道的有机太阳能电池光电转化效率的发展进程。虽然目前有机太

9、阳能电池的光电转换效率较无机太阳能电池还有不小的差 距，但是大多数该领域的研究人员认为通过合成性能优良的新型有机半导体材 料，以及对器件结构进行改善，有机太阳能电池的光电转化效率将很快达到15%， 而且有望在不久的将来达到20%。由此可见，有机太阳能电池就效率而言很快便 能达到产业化应用的要求，但是研究者普遍关心的还有电池寿命这一问题。据美 国斯坦福大学的McGehee教授报道，他们用实验加速装置测试以N-9-十七烷基 -2,7-咔唑一5,5-（4,7-二-2塞吩基-2,1,3-苯并噻二唑）交替共聚物（PCDTBT）有 机太阳能电池材料PCDTBT分子结构*所示）作为活性材料的有机太阳能电池的

10、使 用寿命，发现其寿命可达到7年之久。通过一些改善措施，有机太阳能电池的使 用寿命有望延长至10年。虽然有机太阳能电池的寿命要比结晶硅型太阳能电池 寿命（20年以上）短许多，但是因为其制造成本要远远低于结晶硅型太阳能电 池，因此，有机太阳能电池仍有广阔的产业化应用前景。表1近2年来国际上已报道的有机太阳能电池光电转换效率的发展情况19公司（机构）名称日期效率芝加哥大学(The University of Chicago)2010年1月7.4%朔荣有机光电科技公司（Solarmer Energy Inc.）2010年7月8.13%赫里阿泰克公司（Heliatek）2010年10月8.30%科纳卡

11、公司（Konarka）2010年11月8.30%三菱化学(Mitsubishi Chemical)2011年4月9.2%加州大学洛杉矶分校（UCLA）2012年2月10.6%2最新有机太阳能电池研究情况及性能提高机最新有机太阳能电池研究情况加 州大学洛杉矶分校(UCLA)亨利萨缪里工程和应用科学学院(Henry samueli School of Engineering and Applied Science)以及加州大学洛杉矶分校加州纳米技 术研究院(CNSI： California Nanosystems Institute)极大地提高了聚合物太阳能 电池的性能，制成的设备具有新的“串联”

12、结构，可以结合多个电池，具有不同的 吸收频段。这种设备认证的光电转换效率是10.6%，在2011年7月就创造了这 一世界纪录。进一步，研究人员集成了一种新的红外吸收高分子材料，这种材料的开发者 是日本住友化学公司(Sumitomo Chemical)，就集成到这种设备中，这种设备 的架构确实广泛适用，光电转换效率跃升至10.6%，这又是一个新的纪录，认证 机构是美国能源部下属的国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory )o因为使用的电池具有不同的吸收频段，串型太阳能电池(叠层太阳能结构) 提供了有效途径，可利用更广泛的太阳辐射。然而，效率不

13、会自动提高，因为只 是简单地合并两种电池。这些材料用于串联电池，必须互相兼容 进行高效捕光。为了更有效地使用太阳辐射，杨阳的研究小组堆叠起一系列的多个光敏层， 以互补吸收光谱，这样就制成串联聚合物太阳能电池。他们的串联结构包含一块 正面电池，具有更大的或更高的带隙材料，还有一块背面电池，具有较小或较低 的带隙聚合物电池，连接是采用专门设计的夹层。电流-电压特性和外部量子效 率(EQE)，属于常规和倒置的单电池设备。对比单层设备，这种串型设备可以 更有效地利用太阳能，尤其是可以最大限度地减少其他能量损失。因为使用不止 一种吸光材料，每一种可以捕获不同部分的太阳光谱，所以，这种串联电池可以 维持电

14、流，增加输出电压，这些因素可以提高效率。3.使用堆叠结构改善有机太阳能电池的光电转换效率现有的制备有机太阳能电池的有机半导体材料都不能对太阳光谱的整个谱带全 部产生响应，只能吸收太阳光谱某一波长范围内的光，这就降低了太阳光的利用 率，导致光电转换效率较低。为了改善这一情况，有研究者设计出了堆叠结构器 件，这种器件是把能响应不同太阳光谱带的2个太阳能电池单元通过一个连接层 联系起来，从而使整合后的电池器件能对太阳光谱有更广范围的响应，提高太阳 光的利用率，改善电池的光电转换效率20,21 典型的具有堆叠结构的有机太阳能 电池器件的结构图1-11，采用这种结构制备的有机太阳能电池的开路电压在理 论

15、上为2个单独的电池单元的开路电压值的加和，而且光电转换效率也可得到明 显改善。4使用折叠结构改善有机太阳能电池对太阳光的利用率通常的有机太阳能电池 为平面结构，但如果把有机太阳能电池制备成V字型折叠结构，则单位投影面 积内对太阳光的吸收则会大幅度增加。这一方面归因于有效面积的增加；另一 方面则因为太阳光在V字型结构中经反射后可增加二次吸收的概率，因而对太 阳光的利用率得到大幅提高。图3-2为采用具有V字型折叠结构的有机太阳能电 池的结构示意图，采用这种结构的器件的另一个优点是适合制备交替型堆叠器 件，即在V字型的一个坡面上构筑一种电池单元（电池单元1），具有V字型折 叠结构的有机太阳能电池而在

16、V字型的另一个坡面上构筑另一种电池单元（电 池单元2），从而使有机太阳能电池的光电转换效率得到进一步提高。据文献报 道，这种结构的有机太阳能电池在光电转换效率方面可以得到近2倍的改善22,23。3.3有机太阳能电池产业化前景目前，全世界每年约有10GW左右的太阳能电池被制造并投入使用，然而 目前全球对能源的需求量为13TWE241随着煤、石油、天然气等不可再生能源的 日益减少，太阳能电池作为一种有效的清洁能源实际上需要每年以太瓦（TW） 规模来进行生产才能够满足社会的需求。而要实现这一目标，需要设法使太阳能 电池依靠低成本、能稳定供应的材料及简捷的生产工艺制造出来。有机太阳能电 池的自身特点完

17、全可以满足上述要求，而且以其目前的发展速度我们有理由相信 有机太阳能电池必将具有美好的产业化前景，为人类生活带来巨大的变化。能源的浪费和过度的开发使化石燃料日趋枯竭和世界范围内的能源不足，近 期世界范围内流血冲突实质都是为了争夺能源。对于能源问题不仅仅表现在争夺 资源而且更为引人关注的是在化石能源开发利用过程中所带来负面影响是难以 消除的，如环境污染，温室效应等一系列的环境问题提上日程。太阳能，风能， 受控氢核变能及其他的可再生能源，将逐渐走上世界能源的历史舞台。其中太阳 能是最合适的资源。太阳能分布广泛且获取方便，在太阳能的利用上，没有废弃 物的排放也没有噪音更不会产生对人类有害的物质。对于

18、人类的历史来讲，太阳 可持续辐射100亿年。所以是取之不尽用之不竭的，必将成为主导能源。传统的太阳能电池是利用半导体的特性，在硅材料的基础上制作太阳能电 池。目前占市场主流的太阳能电池是硅太阳能电池。硅太阳能电池又可以分为： 单晶太阳能电池，多晶硅太阳能电池，非晶硅薄膜太阳能电池。硅太阳能电池明 显的优势已经在多个领域显现出来，如航天领域，军事等领域。虽然传统的硅太 阳能电池有比较的优势，但是由于受到材料和技术两大瓶颈的制约生产的成本还 是很高，发出1kw的电需要上千美元，因此大规模的使用依然要受到经济的制约， 从另一方面上讲生产的技术依然受到限制，硅太阳能电池的光电转化效率已经到 达到理论上

19、的极限，无法提高其转化效率。无机太阳能电池的工艺复杂而且制造 设备昂贵，使其很难在价格上得到打幅度的消减。太阳能电池在应用上追求的不 是效率而是成本价格。从20世纪70年代开始人们就越来越关注有机太阳能的研制。在导电聚合物 上研发利用取得很大的进步，使有机半导体成为硅半导体的替代品的潜能。有机 导电聚合物有其独特的优势：有机分子可以经过加工，不需要得到晶体状无机半 导体。特别是聚合物半导体的优越性是与廉价的加工技术联系在一起。大量的研 究表明，导电聚合物是集各种性能于一身的半导体材料。随着有机薄膜聚合物的 快速发展，为有机薄膜太阳能电池的发展，提供有力的支持。有机薄膜太阳能电 池也是一种薄膜器

20、件，现在的各种成熟的薄膜制造技术为有机薄膜太阳能电池的 发展提供技术保障。有机聚合物太阳能电池的优点在于具有可重复利用，质量轻， 柔性强，对环境无污染，低成本，制作过程简易迅速等优点。参考文献刘鉴民.太阳能利用原理.技术工程M.北京：电子工业出版社，2010： 15-18.F. Padinger, R. Rittberger, N. S. Sariciftci. Effects of postproduction treatment onplastic solar cellsJ. Advanced Functional Mater., 2003, 13(1): 85-88.杨德仁.太阳电池材料M.北京：化学工业出版社，2010： 26-28.汉斯S劳申巴赫美著，金熹，廖春发，傅德棣等译.太阳电池阵设计手册M.北京：宇航出版社，1987：1-15.5安其霖，曹国琛，李国欣等.太阳电池原理与工艺M.上海：上海科技出版 社，1984： 56-58.S. Park, S. Beaupre , et al. Bulk heterojunction solar cells with internal quantumefficiency approaching 100&percnt