光電效應(yīng)與光伏電池.pptVIP

光電效應(yīng)與光伏電池,太陽(yáng)電池的基本原理和發(fā)展概況,主要內(nèi)容,光電效應(yīng)簡(jiǎn)介 太陽(yáng)電池的開(kāi)發(fā)背景 光伏效應(yīng)的基本原理 太陽(yáng)電池的發(fā)展歷程(類(lèi)型) 無(wú)機(jī)納米晶/有機(jī)半導(dǎo)體雜化太陽(yáng)電池 太陽(yáng)電池的應(yīng)用和未來(lái)展望,1.光電效應(yīng)簡(jiǎn)介,光電效應(yīng)和外光電效應(yīng),光電效應(yīng)(photoelectric)：物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)。 1887年Heinrich Hertz在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，愛(ài)因斯坦因采用光量子(photon)的概念成功的解釋了光電效應(yīng)而獲得了1921年諾貝爾物理獎(jiǎng)。根據(jù)電子吸收光子能量后的不同行為，光電效應(yīng)可分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。 外光電效應(yīng)：在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象。 其主要應(yīng)用有光電管和光電倍增管。,1.光電效應(yīng)簡(jiǎn)介,內(nèi)光電效應(yīng)及其應(yīng)用,內(nèi)光電效應(yīng)：光照射到半導(dǎo)體材料上激發(fā)出電子-空穴對(duì)而使半導(dǎo)體產(chǎn)了產(chǎn)生的電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)可分為光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)。 光電導(dǎo)效應(yīng)是指光照射下半導(dǎo)體材料的電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，從而引起材料電阻率的變化。其應(yīng)用為光敏電阻。 光生伏特效應(yīng)是指光照射下物體內(nèi)產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。其應(yīng)用主要有光伏電池、光(電)敏二極管、光(電)敏三極管等。,2.太陽(yáng)電池的開(kāi)發(fā)背景,人類(lèi)未來(lái)50年面臨的十大難題,Energy & Nanotechnology Conference, Rice Iniversity, May 3, 2003,2.太陽(yáng)電池的開(kāi)發(fā)背景,2011-2020年我國(guó)能源科學(xué)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告,全人類(lèi)共同的挑戰(zhàn),化石能源的大量使用導(dǎo)致了全球氣候變化。政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(IPCC)的綜合評(píng)估結(jié)果表明：近50年全球大部分增暖，非?？赡?90%以上)是人類(lèi)活動(dòng)的結(jié)果，特別是源于化石燃料使用導(dǎo)致的人為溫室氣體排放。,化石能源的開(kāi)發(fā)利用造成環(huán)境污染。我國(guó)每年排入大氣的污染物中，有約80%的煙塵、87%的SO2和67%的NOx來(lái)源于煤的燃燒。這些污染物會(huì)形成硫酸煙霧、酸雨以及其它光化學(xué)煙霧等。,化石能源行將枯竭帶給人類(lèi)巨大的挑戰(zhàn)。按照2008年的開(kāi)采速度計(jì)算，全球石油剩余探明儲(chǔ)量可供開(kāi)采42年，天然氣和煤炭分別可供應(yīng)60年和122年。2008年我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)采比約為41年，天然氣和石油儲(chǔ)采比分別約為32年和11年。,必須加強(qiáng)替代能源包括核能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能、地?zé)岷秃Ｑ竽艿鹊拈_(kāi)發(fā)利用。,2.太陽(yáng)電池的開(kāi)發(fā)背景,太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)：太陽(yáng)能是人類(lèi)可利用的最直接的清潔能源，它分布廣闊，獲取方便；不會(huì)污染環(huán)境，沒(méi)有廢水、廢渣、廢氣的排放；可以就地開(kāi)發(fā)利用，不存在運(yùn)輸問(wèn)題。太陽(yáng)表面釋放的能量換算成電能的功率約為3.81023KW左右，其中約22億分之一到達(dá)地球，約1.21014KW(1.35KW/m2,太陽(yáng)常數(shù))，這相當(dāng)于現(xiàn)在地球上消耗能量的約1萬(wàn)倍。根據(jù)目前太陽(yáng)產(chǎn)生的核能速率估算，氫的貯量足夠維持上百億年，而地球的壽命也約為幾十億年，從這個(gè)意義上講，可以說(shuō)太陽(yáng)的能量是取自不盡，用之不竭的。 太陽(yáng)能的缺點(diǎn)：能源密度較低，并且具有間歇性，使其大規(guī)模使用的成本和技術(shù)難度均很高，目前太陽(yáng)能所提供的能源占世界商業(yè)能源總量不足1%。,3.光伏效應(yīng)的基本原理,金屬、導(dǎo)體和絕緣體,金屬,半導(dǎo)體,絕緣體,金屬的價(jià)帶是半滿的，所以金屬能夠?qū)щ?；絕緣體的價(jià)帶是全滿的，并且具有較大的禁帶寬度，所以不能導(dǎo)電；半導(dǎo)體的價(jià)帶也是全滿的，但由于其具有較窄的禁帶寬度，所以在一定的條件下能夠?qū)щ?。其電?dǎo)率在10-4到1010歐姆厘米之間。,3.光伏效應(yīng)的基本原理,本征半導(dǎo)體和摻雜半導(dǎo)體,本征半導(dǎo)體：沒(méi)有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體。其原子的排列處于非常整齊的狀態(tài)，在一定條件下少數(shù)電子可能掙脫束縛而形成電子載流子n0，同時(shí)留下帶正電的空位(空穴hole)p0，且濃度n0=p0。在本征半導(dǎo)體中載流子的總數(shù)仍然不能滿足導(dǎo)電性的需要，所以本征半導(dǎo)體實(shí)際用處不大。常見(jiàn)的本征半導(dǎo)體有硅(Si)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)等。 摻雜半導(dǎo)體：為了提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能，可以通過(guò)添加雜質(zhì)的辦法降低其電阻率，提高其導(dǎo)電性。例如對(duì)本征半導(dǎo)體硅摻入百萬(wàn)分之一的雜質(zhì)，其電阻率就會(huì)從105下降到只有幾個(gè)歐姆厘米。 p-型半導(dǎo)體：positive, 通過(guò)摻雜增加半導(dǎo)體內(nèi)的空穴載流子的濃度，使空穴(正電子)成為多數(shù)載流子(多子)； n-型半導(dǎo)體：negative, 通過(guò)摻雜增加半導(dǎo)體內(nèi)的電子載流子的濃度，是電子稱(chēng)為多數(shù)載流子。,3.光伏效應(yīng)的基本原理,p-型半導(dǎo)體和n-型半導(dǎo)體,以硅為例，理想的硅原子結(jié)構(gòu)示意圖： 添加3價(jià)元素硼后的示意圖： 黃色表示B元素，藍(lán)色點(diǎn)表示空穴?？昭ㄈ菀孜针娮佣泻停拖窨昭ㄔ诹鲃?dòng)一樣。 摻雜5價(jià)元素磷后的示意圖： 黃色表示P元素，紅色點(diǎn)表示多余的電子，它非?；钴S，容易流動(dòng)形成電流。,3.光伏效應(yīng)的基本原理,p-n結(jié)和內(nèi)建電場(chǎng),當(dāng)p-型和n-型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，由于p-型半導(dǎo)體多空穴，n-型半導(dǎo)體多自由電子，在界面處出現(xiàn)了濃度差。n-區(qū)的電子會(huì)擴(kuò)散到p-區(qū)，p-區(qū)的空穴會(huì)擴(kuò)散到n-區(qū)，這樣會(huì)在交界面區(qū)域形成一個(gè)特殊的薄層，即空間電荷區(qū)。空間電荷區(qū)存在一個(gè)從n-區(qū)指向p-區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)阻止擴(kuò)散進(jìn)行，內(nèi)建電場(chǎng)與半導(dǎo)體內(nèi)的擴(kuò)散達(dá)到平衡后，就形成了這樣一個(gè)特殊的薄層，這就是p-n結(jié)。,3.光伏效應(yīng)的基本原理,光伏效應(yīng)photovoltaic,當(dāng)光照射p-n結(jié)上時(shí)，如果入射電子的能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度(Eg)，就會(huì)在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生大量的自由載流子-空穴和電子。它們?cè)趐-n結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，空穴往p-區(qū)移動(dòng)，使p-區(qū)獲得附加正電荷；而電子往n-型區(qū)移動(dòng)， n-區(qū)獲得負(fù)電荷，產(chǎn)生一個(gè)光生電動(dòng)勢(shì)，這就是光伏效應(yīng)(光生伏打效應(yīng))。當(dāng)用導(dǎo)線連接p-型區(qū)和n-型區(qū)時(shí)，就會(huì)形成電流.,3.光伏效應(yīng)的基本原理,光電效應(yīng)與光伏效應(yīng),關(guān)于光電效應(yīng)和光伏效應(yīng)的關(guān)系，有以下兩種觀點(diǎn)： 光伏效應(yīng)是光電效應(yīng)的一種：基于這種觀點(diǎn)的光電效應(yīng)是指物體吸收光能后引起電性能變化的效應(yīng)，包括內(nèi)、外光電效應(yīng)。 光電效應(yīng)和光伏效應(yīng)是不同的兩個(gè)概念：可以從兩個(gè)方面理解： 這種觀點(diǎn)中的光電效應(yīng)是狹義上的光電效應(yīng)，僅指外光電效應(yīng)。 這種觀點(diǎn)中的光電效應(yīng)定義不同，即photoemission非photoelectric，其對(duì)應(yīng)的材料僅指的是金屬?！袄媒饘俚墓怆娦?yīng)也可以制備太陽(yáng)電池，有光照的金屬其化學(xué)勢(shì)會(huì)稍微大于沒(méi)有光照的金屬的化學(xué)勢(shì)，從而產(chǎn)生光伏電壓”，而“光生伏特效應(yīng)是指光子入射到半導(dǎo)體的 p-n 結(jié)后，從 p-n 結(jié)的二端電極產(chǎn)生可輸出功率的電壓伏特值”。 這篇文章中還指出：并不是能夠轉(zhuǎn)換入射光子能量而直接產(chǎn)生輸出電壓的器件都叫光生伏特效應(yīng)。例如Dember效應(yīng)，指半導(dǎo)體吸收光子后產(chǎn)生能自由移動(dòng)的電子和空穴，由于電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)不一樣，因此會(huì)在分布不均的電子和空穴間產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)。又如基于光電化學(xué)效應(yīng)的染料敏化太陽(yáng)電池，因?yàn)橐玫诫娊赓|(zhì)且涉及到了化學(xué)反應(yīng)，也不屬于光生伏特效應(yīng)。,蔡進(jìn)譯.超高效率太陽(yáng)電池-從愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)談起. 物理雙月刊, 2005，27(5): 701-719,3.光伏效應(yīng)的基本原理,光伏電池與光敏(電)二極管,光伏電池和光電二極管都是基于光伏效應(yīng)的光電器件。其主要區(qū)別在于：光伏電池在零偏置下工作，而光電二極管在反向偏置下工作光伏電池的摻雜濃度較高1016-19從而具有較強(qiáng)的光伏效應(yīng)，而光電二極管摻雜濃度較低1012-13光伏電池的電阻率較低0.1-0.01 /cm，而光電二極管則為1000/cm光伏電池的光敏面積要比光電二極管大得多，因此光電二極管的光電流小得多，一般在uA級(jí)。,3.光伏效應(yīng)的基本原理,光伏電池與發(fā)光二極管(LED),發(fā)光二極管：Light Emitting Diode，在電場(chǎng)作用下，電子和空穴分別從陰極和陽(yáng)極注入，空穴和電子在發(fā)光層中相遇、復(fù)合形成激子，激子經(jīng)過(guò)馳豫、擴(kuò)散、遷移等過(guò)程復(fù)合而產(chǎn)生光子。,3.光伏效應(yīng)的基本原理,光伏電池的性能參數(shù),光伏電池的主要性能參數(shù)有開(kāi)路電壓VOC、短路電流ISC、最大輸出功率Pm、填充因子FF、能量轉(zhuǎn)換效率PCE等。 開(kāi)路電壓open-circuit voltage：太陽(yáng)電池處于開(kāi)路狀態(tài)時(shí)兩端的電壓，可用高內(nèi)阻的直流毫伏計(jì)測(cè)量。 短路電流short-circuit current：太陽(yáng)電池處于短路狀態(tài)時(shí)流過(guò)的電流，常用短路電流密度JSC代替，用內(nèi)阻小于1的電流表測(cè)量。 最大輸出功率：太陽(yáng)電池的輸出功率隨負(fù)載電阻而變化，其最大值成為最大輸出功率，Pm=VmIm。 填充因子Fill Factor：最大輸出功率與開(kāi)路電壓和短路電流乘積之比，始終小于1，代表太陽(yáng)能電池在最佳負(fù)載時(shí)能輸出的最大功率的特性。 能量轉(zhuǎn)換效率Power Conversion Efficiency：太陽(yáng)電池的最大輸出功率和入射光的功率之比。,3.光伏效應(yīng)的基本原理,太陽(yáng)電池的伏安曲線,太陽(yáng)能電池輸出特性測(cè)量電路示意圖。當(dāng)負(fù)載從0變化到無(wú)窮大時(shí)，輸出電壓V則從0變到VOC，同時(shí)輸出電流便從ISC變到0，由此得到電池的輸出特性曲線。,除了以上5個(gè)主要參數(shù)，有些文獻(xiàn)上還提到了其它參數(shù)，如光電轉(zhuǎn)換效率IPCE(mono-chromatic incident photon-to-electron conversion efficiency )、外量子效率EQE(external quantum efficiency )及內(nèi)量子效率IQE(Internal Quantum Efficiency )。,3.光伏效應(yīng)的基本原理,光伏電池的等效電路,理想太陽(yáng)電池的等效電路：在恒定光照下，光電流是恒定的，它一部分流經(jīng)負(fù)載，在負(fù)載兩端建立起端電壓；另一部分作用于p-n結(jié)，形成正向偏置，引起一股與光電流方向相反的暗電流。,實(shí)際太陽(yáng)電池的等效電路：實(shí)際工作的太陽(yáng)電池由于電極的接觸和材料本身的電阻率，存在著串聯(lián)電阻的損耗；電池邊沿的漏電和電池的微裂紋、劃痕等造成的金屬橋漏電，相當(dāng)于并聯(lián)電阻的損耗。,3.光伏效應(yīng)的基本原理,單晶硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)簡(jiǎn)易流程,單晶硅太陽(yáng)電池的制作過(guò)程： 砂子還原成冶金級(jí)硅：石英砂(SiO2)在電弧爐中用C還原為Si和CO，純度一般95-99%，雜質(zhì)為Fe、Al、Ga、Mg等。冶金級(jí)硅提純?yōu)榘雽?dǎo)體級(jí)硅：由工業(yè)硅制成硅的鹵化物(如三氯硅烷，四氯化硅)通過(guò)還原劑還原成為元素硅，最后長(zhǎng)成棒狀(或針狀、塊狀)多晶硅。半導(dǎo)體級(jí)硅轉(zhuǎn)變?yōu)楣杵憾嗑Ч杞?jīng)過(guò)區(qū)熔法(Fz)和坩堝直拉法(CG)制成單晶硅棒。硅片制成太陽(yáng)電池：主要包括表面準(zhǔn)備（化學(xué)處理和表面腐蝕）、擴(kuò)散制(P-N)結(jié)、去邊、去除背結(jié)、制作上下電極、制作減反射膜等。太陽(yáng)電池封裝成電池組件：將若干單體電池串、并聯(lián)連接并嚴(yán)密封裝成組件，主要有上蓋板、粘接劑、底板、邊框等部分。,4.太陽(yáng)電池的發(fā)展歷程(類(lèi)型),太陽(yáng)電池的類(lèi)型,太陽(yáng)能電池,4.太陽(yáng)電池的發(fā)展歷程(類(lèi)型),硅材料太陽(yáng)電池,硅材料太陽(yáng)電池： 單晶硅太陽(yáng)電池： 以純度為99.999%的單晶硅棒為原料制作而成，工藝復(fù)雜，電耗很大。目前單晶硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，實(shí)驗(yàn)室可達(dá)25%，其理論最高效率為32%左右。 多晶硅太陽(yáng)電池：按結(jié)構(gòu)可分為兩種，一種是塊狀(bulk)，多半是用含有大量單晶顆粒的集合體，或用廢次單晶硅料和冶金級(jí)硅材料熔化澆鑄而成。制作工藝與單晶硅太陽(yáng)電池相似，但材料制造簡(jiǎn)便，成本較低。另一種是薄膜狀(thin-film),多采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)和液相外延法(LPPE)、濺射沉積法制備。多晶硅薄膜電池成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池。多晶硅太陽(yáng)電池目前光電轉(zhuǎn)換效率12%左右，實(shí)驗(yàn)室可達(dá)19.8%。 非晶硅太陽(yáng)電池：于1976年出現(xiàn)，硅材料消耗少，電耗低，常用輝光放電法、反應(yīng)濺射法、化學(xué)氣相沉積法、電子束蒸發(fā)法和熱分解硅烷法制備。其光電轉(zhuǎn)換效率較低，為10%左右，實(shí)驗(yàn)室可達(dá)14.5%。,4.太陽(yáng)電池的發(fā)展歷程(類(lèi)型),多元化合物薄膜電池,多元化合物薄膜電池： 砷化鎵(GaAs)化合物薄膜太陽(yáng)電池：砷化鎵屬于-化合物半導(dǎo)體材料，能隙(band gap，又叫禁帶寬度f(wàn)orbidden bandwidth)為1.4eV，并且耐高溫性強(qiáng)，最高轉(zhuǎn)換效率可達(dá)30%。砷化鎵系列太陽(yáng)能電池包括單晶GaAs、多晶GaAs、鎵鋁砷-GaAs異質(zhì)結(jié)、金屬-半導(dǎo)體GaAs、金屬-絕緣體-半導(dǎo)體GaAs、GaSb（銻化鎵）、GaInP等。 硫化鎘(CdS)和碲化鎘(CdTe)化合物薄膜電池：效率在10%以上。 銅銦硒(CuInSe2，CIS)和銅銦鎵硒(CuInxGa1-xSe2，CIGS)化合物薄膜電池：CIS材料的能降為1.1eV，是良好的太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體材料，價(jià)格低廉、性能良好，目前光電轉(zhuǎn)換效率約在15%左右。,2005-2015年太陽(yáng)電池種類(lèi)、轉(zhuǎn)換效率和成本預(yù)測(cè). 太陽(yáng)能, 2007, 11: 34,4.太陽(yáng)電池的發(fā)展歷程(類(lèi)型),有機(jī)半導(dǎo)體和無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的區(qū)別,在無(wú)機(jī)半導(dǎo)體中，原子間因存在很強(qiáng)的相互作用(共價(jià)鍵或離子鍵)從而形成三維的周期晶格結(jié)構(gòu)，原子間能級(jí)的重疊形成能帶。而有機(jī)半導(dǎo)體中分子間只有很弱的范德華力結(jié)合在一起，導(dǎo)致分子的LUMO和HOMO之間相互作用力太弱不能形成導(dǎo)帶和價(jià)帶 (也可稱(chēng)之為“導(dǎo)帶、價(jià)帶”)。電子需要克服較大勢(shì)壘而不能在分子間進(jìn)行公有化運(yùn)動(dòng)，只能是以“跳躍”的方式運(yùn)動(dòng)，因此其載流子遷移率比無(wú)機(jī)半導(dǎo)體小很多。此外，無(wú)機(jī)半導(dǎo)體中吸收一定能量的光子后將會(huì)產(chǎn)生分離的自由點(diǎn)子和空穴，而有機(jī)半導(dǎo)體中產(chǎn)生的電子將束縛在空穴周?chē)?，形成呈電中性的電子空穴?duì)-激子(exciton)。 有機(jī)半導(dǎo)體材料也可區(qū)分為p-型與n-型的兩大類(lèi)， 缺電子型或可用作電子受體(Acceptor)的被稱(chēng)為n-型的有機(jī)半導(dǎo)體材料；而富電子型的或可用作電子給體(Donor)的化合物，則稱(chēng)為p-型半導(dǎo)體，因此p-n異質(zhì)結(jié)在有機(jī)光伏器件中一般稱(chēng)作D-A結(jié)。多數(shù)的有機(jī)和高分子半導(dǎo)體材料是p-型的，如聚(苯乙烯撐) (PPV) 、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺等衍生物等。相比較起來(lái)n-型半導(dǎo)體種類(lèi)較少，主要有PTCDI、苝類(lèi)化合物、C60及其衍生物(PCBM)等。,4.太陽(yáng)電池的發(fā)展歷程(類(lèi)型),單層有機(jī)太陽(yáng)電池,單層有機(jī)太陽(yáng)電池又叫肖特基(Schottky)型太陽(yáng)電池: 兩個(gè)電極之間夾著一層有機(jī)材料，電極一般都是高功函數(shù)ITO（氧化銦錫）和低功函數(shù)金屬Al、Ca、Mg，其內(nèi)建電場(chǎng)源于兩個(gè)電極的功函數(shù)差異或者金屬-有機(jī)染料接觸而形成的肖特基勢(shì)壘。其性能強(qiáng)烈依賴(lài)于電極的性能，并且有機(jī)物的絕緣本性，只有當(dāng)激子擴(kuò)散到電極和材料接觸處激子才可能分離，而擴(kuò)散長(zhǎng)度很短(10nm左右)使得產(chǎn)生的激子容易復(fù)合。,4.太陽(yáng)電池的發(fā)展歷程(類(lèi)型),雙層(bilayer)異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)電池,A brief history of the development of organic and polymeric photovoltaics,Solar Enegy Materials & Solar Cells, 2004, 83: 125-146,有機(jī)給體-受體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)電池: 當(dāng)光與給體分子相互作用時(shí)，受激發(fā)的電子給體吸收光子，其最高已占軌道HOMO上的一個(gè)電子躍遷到最低未占軌道LUMO，形成激子，通常由于給體(p-型) LUMO的電離勢(shì)比受體(n-型)LUMO的電離勢(shì)低，電子就有給體轉(zhuǎn)移到受體，從而完成電子的轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)激子的分離。激子分離后產(chǎn)生的電子和空穴向相反的方向運(yùn)動(dòng)，被收集在相應(yīng)的電極上，形成光電壓。C. W. Tang于1986年第一次提出了雙層有機(jī)太陽(yáng)電池的概念。,4.太陽(yáng)電池的發(fā)展歷程(類(lèi)型),混合異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)電池,異質(zhì)結(jié)電池中D-A界面處的激子分離最有效，但激子典型的擴(kuò)散長(zhǎng)度在10nm范圍內(nèi)，因此光激發(fā)層應(yīng)盡量??；而為了盡可能多的吸收光，又要求薄膜厚度應(yīng)超過(guò)100nm。將施主材料和受主材料混合分布在同一層中，大大增加了施主/受主界面的面積，使激子能夠運(yùn)動(dòng)非常短的距離就可以得到有效分離，這種結(jié)構(gòu)叫分散式(混合或本體異質(zhì)結(jié)Bulk Heterojuntion, BHJ)異質(zhì)結(jié)。1994年將10：1(wt)的MEH-PPV和C60混合溶液制旋涂在ITO玻璃上支撐了第一個(gè)分散式聚合物異質(zhì)結(jié)PV電池。 本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是目前有機(jī)聚合物(Polymer-fullerene)、有機(jī)小分子和無(wú)機(jī)納米晶/有機(jī)半導(dǎo)體雜化太陽(yáng)電池的主要研究方向。,4.太陽(yáng)電池的發(fā)展歷程(類(lèi)型),染料敏化太陽(yáng)電池,染料敏化太陽(yáng)能電池模擬光和作用制作的，一般由多孔納米TiO2薄膜組成的光陽(yáng)極、鍍鉑對(duì)電極、染料敏化劑聯(lián)(吡啶釕絡(luò)合物)和電解質(zhì)溶液(一般是I3/I)組成。吸附在納米TiO2表面上的染料光敏化劑在可見(jiàn)光的作用下，電子通過(guò)吸收太陽(yáng)光能而從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。染料的激發(fā)態(tài)能級(jí)略高于TiO2導(dǎo)帶能級(jí)，電子會(huì)注入到TiO2導(dǎo)帶，被導(dǎo)電層收集后通過(guò)外回路回到對(duì)電極，產(chǎn)生光電流。被氧化的染料分子被電解質(zhì)溶液中的I還原為基態(tài)，電解質(zhì)中產(chǎn)生的I3又被電子還原為I，從而構(gòu)成了一個(gè)電化學(xué)循環(huán)。1991年瑞士的M. Grtzel教授制作了第一個(gè)染料敏化太陽(yáng)電池，其轉(zhuǎn)換效率達(dá)到7.9%，目前這種電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)11%以上，而其成本僅為硅太陽(yáng)電池的1/5。,染料敏化太陽(yáng)電池目前的主要挑戰(zhàn)在于：高效電極的低溫制備和柔性化；廉價(jià)、穩(wěn)定的全光譜染料的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)；液體電解質(zhì)的封裝和高效固態(tài)電解質(zhì)的制備等。,4.太陽(yáng)電池的發(fā)展歷程(類(lèi)型),疊層(tandem)太陽(yáng)電池,太陽(yáng)光譜可以被分成連續(xù)的若干部分，用能帶寬度與這些部分有最好匹配的材料做成電池，并按能隙從大到小的順序從外向里疊合起來(lái)，讓波長(zhǎng)最短的光被最外邊的寬隙材料電池利用，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光能夠透射進(jìn)去讓較窄能隙材料電池利用，這就有可能最大限度的將光能變成電能，這樣的電池結(jié)構(gòu)就是疊層電池，可以大大提高性能和穩(wěn)定性。,5.無(wú)機(jī)納米晶/有機(jī)半導(dǎo)體雜化太陽(yáng)電池,概述,有機(jī)和無(wú)機(jī)材料復(fù)合物組成的雜化太陽(yáng)電池，綜合了無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的優(yōu)異性能和共軛聚合物的成膜性能。有機(jī)材料價(jià)格低廉，容易制備且能通過(guò)分子設(shè)計(jì)和化學(xué)合成調(diào)整其功能，而無(wú)機(jī)半導(dǎo)體能被制備成納米結(jié)構(gòu)，從而具有較高的吸光系數(shù)和尺寸可調(diào)性，通過(guò)改變納米粒子的尺寸能改變其帶隙進(jìn)而調(diào)整其吸光范圍。 CdS、CdSe、CuInS2、TiO2和ZnO是目前研究得比較廣泛的無(wú)機(jī)材料，其中ZnO相對(duì)于TiO2而言電導(dǎo)率較高，并且容易控制生長(zhǎng)成納米棒陣列結(jié)構(gòu)或者納米顆粒薄膜；常用的p型有機(jī)半導(dǎo)體有P3HT、MDMO-PPV及酞菁化合物等。目前制備雜化太陽(yáng)電池薄膜的主要方法為旋涂法、電沉積法和層層自組裝法(LBL:layer-by-layer assembly)。 目前有關(guān)nc-ZnO/有機(jī)半導(dǎo)體雜化太陽(yáng)電池的研究方向主要有： nc-ZnO的不同制備方法、形貌及摻雜對(duì)器件性能的影響 聚合物的基團(tuán)修飾或者混合對(duì)器件性能的影響 nc-ZnO和聚合物所用溶劑對(duì)器件性能的影響 緩沖層如V2O5,WO3,MoO3等對(duì)雜化器件進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾對(duì)器件性能的影響 器件退火工藝對(duì)器件性能的影響,5.無(wú)機(jī)納米晶/有機(jī)半導(dǎo)體雜化太陽(yáng)電池,nc-ZnO/共軛聚合物雜化太陽(yáng)電池,W. J. E. Beek, et al. Efficient hybrid solar cells from zine oxide nanoparticles and a conjugated polymer. Adv. Mater., 2004, 16(12): 1009-1014 器件結(jié)構(gòu)為：ITO玻璃/PEDOT：PSS/nc-ZnO：MDMO-PPV/Al在0.71個(gè)太陽(yáng)常數(shù)下PCE可達(dá)1.6%。 制備出能在氯苯(或氯仿)與甲醇的混合溶液中穩(wěn)定存在的ZnO納米粒子，與溶解有MDMO-PPV的氯苯溶液混合后旋涂在提前旋涂一層PEDOT：PSS的ITO玻璃上，通過(guò)前驅(qū)體溶液中Zn2+：OH-濃度的比值調(diào)節(jié)ZnO粒子的尺寸由3.7nm到7nm不等，粒子尺寸越小，器件性能越高?；钚詫又衂nO的含量在70wt.%、活性層厚度在100nm時(shí)器件性能最佳。 用同樣的方法通過(guò)加入2-丙胺活性劑制備出能在混合溶液中穩(wěn)定存在的ZnO納米棒，其性能稍微差于基于納米粒子的器件，主要原因在于表面活性劑大大影響了器件的性能。 與此文章相比，我們需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是CuPc的溶解。與共軛聚合物不同，其在有機(jī)溶劑中溶解度很低，文獻(xiàn)中有通過(guò)在有機(jī)溶劑中添加質(zhì)子酸(濃硫酸或三氟乙酸TFA)提高其溶解度的報(bào)道，但這會(huì)影響ZnO粒子。 W. J. E. Beek, et al. Hybrid solar cells using a zine oxide precursor and a conjugated polymer. Adv. Funct. Mater., 2005, 15: 1703-1707,5.無(wú)機(jī)納米晶/有機(jī)半導(dǎo)體雜化太陽(yáng)電池,nc-ZnO/酞菁體系的雜化電池,除Beek外有關(guān)nc-ZnO雜化太陽(yáng)電池的報(bào)道： Frederik C Krebs, et al. A simple nanostructured polymer/ZnO hybrid solar cell-preparation and operation in air. Nanotechnology, 2008, 19(42): 4013 Dongqin Bi, Fan Wu, Wenjin Yue, et al. Device performance correlated with structural properties of vertically aligned nanorod arrays in polymer/ZnO solar cells. J. Phys. Chem. C, 2010, 114: 13846-13852 L. W. Ji, W. S. Shih, T. H. Fang,