有機(jī)太陽(yáng)能電池課件

1、有機(jī)太陽(yáng)能電池,1,有機(jī)太陽(yáng)能電池,小組人員： 董紅光、馮增威、郭亞?wèn)|、黃鋒、任明明、雍華、張一恒、張喜雯,有機(jī)太陽(yáng)能電池,2,有機(jī)太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介 有機(jī)太陽(yáng)能電池工作原理 有機(jī)太陽(yáng)能電池的優(yōu)勢(shì)與不足 有機(jī)太陽(yáng)能電池的發(fā)展現(xiàn)狀 有機(jī)太陽(yáng)能電池的發(fā)展前景 總結(jié),有機(jī)太陽(yáng)能電池,3,有機(jī)太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介,有機(jī)太陽(yáng)能電池,4,太陽(yáng)能的分類,按材料分類 1、硅太陽(yáng)能 2、無(wú)機(jī)化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能(硫化鎘-硫化亞銅，砷化鎵等) 3、敏化納米晶太陽(yáng)能(染料敏化太陽(yáng)能) 4、有機(jī)化合物太陽(yáng)能以酞菁等等為集體材料制成的太陽(yáng)能 (小分子有機(jī)物太陽(yáng)能) 5、塑料太陽(yáng)能(高分子多聚物太陽(yáng)能,有機(jī)太陽(yáng)能電池,5,有機(jī)太陽(yáng)能

2、電池,6,定義： 有機(jī)太陽(yáng)能電池，就是由有機(jī)材料構(gòu)成核心部分，基于有機(jī)半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)，通過(guò)有機(jī)材料吸收光子從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的太陽(yáng)能電池。 廣泛的講有機(jī)太陽(yáng)能電池主要是利用有機(jī)小分子或有機(jī)高聚物來(lái)直接或間接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷?有機(jī)太陽(yáng)能電池,7,發(fā)展簡(jiǎn)史,有機(jī)太陽(yáng)能電池是一種正在進(jìn)行研究的新型電池。有機(jī)太陽(yáng)能電池這個(gè)概念貌似很新，但其實(shí)它的歷史也不短跟硅基太陽(yáng)能電池的歷史差不多,有機(jī)太陽(yáng)能電池,8,1958：第一個(gè)有機(jī)光電轉(zhuǎn)化器件由Kearns和Calvin制備成功，其主要材料為鎂酞菁（MgPc），夾在兩個(gè)功函數(shù)不同的電極之間。在那個(gè)器件上，他們觀測(cè)到了200 mV的開路電壓。 19

3、86：華人鄧青云博士，改進(jìn)了器件核心結(jié)構(gòu)，由四羧基苝的一種衍生物（PV）和銅酞菁（CuPc）組成的雙層膜。他制備的太陽(yáng)能電池，光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到1左右。 1992年，土耳其人Sariciftci發(fā)現(xiàn)，激發(fā)態(tài)的電子能極快地從有機(jī)半導(dǎo)體分子注入到C60分子而反向的過(guò)程卻要慢得多1993年，Sariciftci在此發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上制成PPV/C60雙層膜異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池,有機(jī)太陽(yáng)能電池,9,2000年，5.R.Forrest研究小組通過(guò)在有機(jī)小分子制備的雙層結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池器件的有機(jī)層和金屬陰極之間插入BCP(Bathocuproine)薄膜層，使得器件的光電轉(zhuǎn)換效率提高到了2.4%，并且改善了器件的伏安特

4、性曲線，提高了器件的穩(wěn)定性。 2005年，A.J.Heeger等人采用在制備電極后再對(duì)器件進(jìn)行熱退火處理的方法有效地提高了電池的能量轉(zhuǎn)換效率，使其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了5,有機(jī)太陽(yáng)能電池,10,有機(jī)太陽(yáng)能電池工作原理,有機(jī)太陽(yáng)能電池,11,有機(jī)太陽(yáng)能電池中的基本物理過(guò)程圖,光的吸收和激子的產(chǎn)生： 光被有機(jī)材料吸收后激發(fā)有機(jī)分 子從而產(chǎn)生激子,激子的擴(kuò)散和解離： 通常激子可以被電場(chǎng)、雜質(zhì)和適 當(dāng)?shù)慕缑嫠怆x,載流子的收集： 由于有機(jī)太陽(yáng)能電池器件的厚度很薄，兩個(gè)電極的功函數(shù)差值建立起來(lái)的電場(chǎng)較強(qiáng)，可以較為有效地分離自由載流子,形成回路,有機(jī)太陽(yáng)能電池中的基本物理過(guò)程,有機(jī)太陽(yáng)能電池,12,四種結(jié)構(gòu)的

5、有機(jī)太陽(yáng)能電池工作原理,肖特基型 雙層結(jié)構(gòu) 體異質(zhì)結(jié)型 疊層結(jié)構(gòu),有機(jī)太陽(yáng)能電池,13,肖特基型有機(jī)太陽(yáng)能電池（首 例有機(jī)太陽(yáng)能電池器件結(jié)構(gòu)）,基本的物理過(guò)程為: 有機(jī)半導(dǎo)體內(nèi)的電子在太陽(yáng) 光照射下被從HOMO能級(jí)激發(fā)到LUMO能級(jí)，產(chǎn)生電子一空穴對(duì)。電子被低功函數(shù)的電極提取，空穴則被來(lái)自高功函數(shù)電極的電子填充，從而形成光電流,光激發(fā)形成的激子，只有在肖特基結(jié)的擴(kuò)散層內(nèi)，依靠節(jié)區(qū)的電場(chǎng)作用才能得到分離。而其它位置上形成的激子，必須先移動(dòng)到擴(kuò)散層內(nèi)才可能形成對(duì)光電流的貢獻(xiàn)。但是有機(jī)分子材料內(nèi)激子的遷移距離相當(dāng)有限的，通常小于10nm。所以大多數(shù)激子在分離成電子和空穴之前就復(fù)合掉了，導(dǎo)致了其光電轉(zhuǎn)

6、換效率較低,有機(jī)太陽(yáng)能電池,14,雙層結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽(yáng)能電池,基本物理過(guò)程為: 光照射到作為給體的有機(jī)半導(dǎo)體材料上，產(chǎn)生激子，然后激子在給體和受體的界面解離，接著電子注入到作為受體的有機(jī)半導(dǎo)體材料中，空穴和電子得到分離。在這種體系中，電子給體為p型，電子受體則為n型，從而空穴和電子分別傳輸?shù)絻蓚€(gè)電極上，形成光電流。 與前述“肖特基型”電池相比，此種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于引入了電荷分離的機(jī)制，使得在有機(jī)材料中產(chǎn)生的激子，可以較容易地在兩種材料的界面處解離以實(shí)現(xiàn)電荷分離，極大的提高了激子解離的效率，從而獲得電池器件效率的增大,有機(jī)太陽(yáng)能電池,15,體異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽(yáng)能電池,基本物理過(guò)程為: 利用共扼聚合物C6

7、0體系的光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移理論,將共扼聚合物MEH一PPv和富勒烯(C00)的衍生物PCBM按一定的比例摻雜制成體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，由于兩種材料互相摻雜，摻雜尺寸在幾個(gè)至幾十納米之間，這樣，在摻雜層內(nèi)任何一處形成的激子都可以在其擴(kuò)散長(zhǎng)度之內(nèi)到達(dá)界面處分離 形成電荷，因而可以獲得極高的激子分離效率,有機(jī)太陽(yáng)能電池,16,疊層結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池,基本物理過(guò)程為: 單個(gè)太陽(yáng)能電池對(duì)于太陽(yáng)光的吸收總是有一定范圍的，因?yàn)椴徽撌悄囊环N太陽(yáng)能電池材料，由于其禁帶寬度的限制，使得材料都不可能在很寬的光譜范圍內(nèi) 有良好的光譜響應(yīng)， 這種結(jié)構(gòu)將兩個(gè)或三個(gè)不同帶隙寬度的單結(jié)電池串聯(lián)起來(lái)，將太陽(yáng)光譜的各個(gè)波段更有效地利用，從而提高

8、了光電轉(zhuǎn)換效率,有機(jī)太陽(yáng)能電池,17,有機(jī)太陽(yáng)能電池常用材料,1.分子量的大小分類,2.簡(jiǎn)單的介紹常用的有機(jī)材料的結(jié)構(gòu)及光電特性,有機(jī)小分子材料,有機(jī)聚合物材料,小分子材料： 是一些含共軛體系的染料分子，它們能夠很好地吸收可見光從而表現(xiàn)出較好的光電轉(zhuǎn)換特性，具有化合物結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性、材質(zhì)較輕、生產(chǎn)成本低、加工性能好、便于制備大面積太陽(yáng)能電池等優(yōu)點(diǎn)。但由于有機(jī)小分子材料一般溶解性較差，因而在有機(jī)太陽(yáng)能電池中一般采用蒸鍍的方法來(lái)制備小分子薄膜層。有機(jī)太陽(yáng)能電池器件中常用的小分子材料主要有酞著、葉琳、并五苯和富勒烯等,有機(jī)太陽(yáng)能電池,18,聚合物材料： 太陽(yáng)能電池上應(yīng)用的聚合物首先必須是導(dǎo)電高分子，并

9、且聚合物的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)都對(duì)聚合物材料的光電特性有較大影響。導(dǎo)電性聚合物的分子結(jié)構(gòu)特征是含有大的電子共扼體系，而聚合物材料的分子量影響著共扼體系的程度。材料的凝聚狀態(tài)(非晶和結(jié)晶)、結(jié)晶度、晶面取向和結(jié)晶形態(tài)都會(huì)對(duì)器件光電流的大小有影響。主要的聚合物材料有聚對(duì)苯乙烯(PPv)、聚苯胺(隊(duì)Nl)和聚唆吩(PTh)以及它們的衍生物等,電極材料： 為了提高太陽(yáng)能電池器件中電子和空穴的輸出效率，要求選用功函數(shù)盡可能低的材料作為陰極和功函數(shù)盡可能高的材料作為陽(yáng)極。電極材料的選取對(duì)于確定電極與有機(jī)材料之間是否形成歐姆接觸或整流接觸有較大影響,有機(jī)太陽(yáng)能電池,19,有機(jī)太陽(yáng)能電池的優(yōu)勢(shì)與不足,有機(jī)太陽(yáng)能

10、電池,20,有機(jī)太陽(yáng)能電池作為一種新型的電池，以其獨(dú)有的特點(diǎn)，不斷的吸引著更多的人投入到這個(gè)領(lǐng)域的研究和開發(fā)中來(lái)。其發(fā)展速度之快也得益于其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)和特性,有機(jī)材料合成成本低、功能易于調(diào)制、柔韌性及成膜性都較好; 加工過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單,可低溫操作,器件制作成本也較低； 可實(shí)現(xiàn)大面積制造、可使用柔性襯底、環(huán)境友好、輕便易攜等,優(yōu)勢(shì),有機(jī)太陽(yáng)能電池,21,有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池模塊,利用有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池模塊試制的皮包,因?yàn)橛袡C(jī)太陽(yáng)能電池有以上的優(yōu)點(diǎn)和特性，因而有望在手表、便攜式計(jì)算器、半透光式充電器、玩具、柔性可卷曲系統(tǒng)等體系中發(fā)揮供電作用,有機(jī)太陽(yáng)能電池技術(shù)可為小型移動(dòng)設(shè)備(例如MP3播放器)供電,有

11、機(jī)太陽(yáng)能電池,22,當(dāng)然目前來(lái)看有機(jī)太陽(yáng)能器件仍有不少缺點(diǎn),材料遷移率低，高體電阻，從而導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換率低。 材料的穩(wěn)定性和耐久性不夠好，電池壽命短。 當(dāng)然從目前世界上有機(jī)太陽(yáng)能研究的狀況來(lái)看雖然存在這些缺點(diǎn)，但是相對(duì)于制造無(wú)機(jī)電池的高昂代價(jià)來(lái)講，有機(jī)太陽(yáng)能的研究仍舊有很強(qiáng)大的生命力,不足,有機(jī)太陽(yáng)能電池,23,有機(jī)太陽(yáng)能電池的發(fā)展現(xiàn)狀,有機(jī)太陽(yáng)能電池,24,無(wú)機(jī)：這種無(wú)機(jī)原料太陽(yáng)能電池造價(jià)昂貴，因而與其他一些能源發(fā)電比起來(lái)缺乏競(jìng)爭(zhēng)力 。 有機(jī)：未來(lái)太陽(yáng)能電池的主流發(fā)展方向強(qiáng)調(diào)的是更輕便、更靈活，最重要的是，更便宜 因而目前 有機(jī)太陽(yáng)能的現(xiàn)狀是：研究機(jī)構(gòu)紛紛投身研究有機(jī)太陽(yáng)能，企業(yè)也紛紛涉足有機(jī)

12、太陽(yáng)能,有機(jī)太陽(yáng)能電池,25,2007 ScienceAlan J. Heeger等 “使有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的單元轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了全球最高6.5”。 結(jié)構(gòu)：級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu) 關(guān)鍵：在兩個(gè)太陽(yáng)能電池單元之間夾了一層TiOxI (鈦氧化物材料) p型：PEDOT:PSS， n型：PCBM與PCPDTBT的混合材料(750800nm) PC70BM與P3HT的混合材料(500nm,有機(jī)太陽(yáng)能電池,26,有機(jī)太陽(yáng)能電池,27,大阪大學(xué)(2008年3月2730日)成功開發(fā)出了單元轉(zhuǎn)換效率高達(dá)5.3的有機(jī)固體太陽(yáng)能電池。 關(guān)鍵：純度極高的C60(7個(gè)九)結(jié)晶實(shí)現(xiàn)的(僅通過(guò)這兩點(diǎn)便將單元效率由原來(lái)的2.5提高到了5.

13、3的全球最高水平) 結(jié)構(gòu)：ITO(透明電極)/H2Pc/i層/C60/NTCDA/Ag(電極) Bulk Hetero結(jié)構(gòu),有機(jī)太陽(yáng)能電池,28,2009 Nature Photonics韓國(guó)光州科學(xué)技術(shù)學(xué)院(GIST)宣布，將單結(jié)有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的單元轉(zhuǎn)換效率提高到了6.1。(2007級(jí)聯(lián)6.5。)結(jié)構(gòu)：?jiǎn)谓Y(jié)、Bulk Hetero結(jié)構(gòu) P型：PCDTBT n型：PC70BM 特點(diǎn)：開放電壓較大(425575nm時(shí)，內(nèi)部量子效率高達(dá)90。,有機(jī)太陽(yáng)能電池,29,有機(jī)太陽(yáng)能電池,30,德國(guó)HeliatekGmbH宣布，其有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了6.07%。 結(jié)構(gòu)：低分子材料的串聯(lián)結(jié)

14、構(gòu)。 目標(biāo)：今后幾年內(nèi)使轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10。(該公司將在2009年9月2125日于德國(guó)漢堡舉辦的太陽(yáng)能電池技術(shù)國(guó)際會(huì)議,有機(jī)太陽(yáng)能電池,31,2009年12月2日solarmer宣布，有機(jī)太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換率已經(jīng)達(dá)到7.9%，為世界最高。 該公司10月份已經(jīng)達(dá)到7.6%，之前其在nature photonics2009年10月的一篇文章上提到的效率為6.77,有機(jī)太陽(yáng)能電池,32,有機(jī)太陽(yáng)能電池的發(fā)展前景,有機(jī)太陽(yáng)能電池,33,當(dāng)大多數(shù)新型太陽(yáng)能電池還處在實(shí)驗(yàn)階段，其能效卻已被不斷夸大的時(shí)候，有機(jī)材料太陽(yáng)能電池能夠降低發(fā)電成本的潛能已經(jīng)被實(shí)實(shí)在在地發(fā)掘并開始為人們所用，因?yàn)檫@些有機(jī)材料的半導(dǎo)體可以被

15、大量生產(chǎn)并靈活運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域。 如今，世界各地的科學(xué)家和工程師們都在努力發(fā)展這一技術(shù)以更早達(dá)到商業(yè)化的目標(biāo),有機(jī)太陽(yáng)能電池,34,技術(shù)前景,1）提高能量轉(zhuǎn)化率 現(xiàn)今有機(jī)太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化率太低，只能驅(qū)動(dòng)耗電極少的用電器工作。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家必將研制出轉(zhuǎn)化率更高的電池。屆時(shí)，手機(jī)、MP3 等常用工具將擺脫充電麻煩的問(wèn)題，使人們的生活更加富有機(jī)動(dòng)性。 提高能量轉(zhuǎn)化率可以在以下幾方面進(jìn)行改進(jìn)： 優(yōu)化表面結(jié)構(gòu)，將電池表面反射的光重新聚集進(jìn)入電池； 使用反射鍍膜復(fù)活光子和制造多結(jié)多禁帶結(jié)構(gòu)電池捕獲寬波長(zhǎng)的光子從而獲得合理的光子吸收率； 使用低電阻率和小覆蓋面的金屬作為前電極以獲得最大填充因子和 較大

16、光電流； 制造由納米級(jí)材料組成的光電池。納米材料是由超細(xì)微粒組成的，其邊界區(qū)的體積大約是材料總體積的 50%，這樣的結(jié)構(gòu)可能會(huì)帶來(lái)神奇性能,有機(jī)太陽(yáng)能電池,35,2）便攜、可折疊 與 Si 基太陽(yáng)能電池相比，有機(jī)太陽(yáng)能電池的一大特點(diǎn)就是質(zhì)量輕，柔軟而可折疊。眾所周知，太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的功率與其受垂直光照的面積成正比。如果將有機(jī)太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)成輕薄柔軟的材料，做成類似陽(yáng)傘的形狀，既減小了體積，方便了攜帶，又可在有陽(yáng)光的時(shí)候隨時(shí)充電，實(shí)用性很強(qiáng)。 （3）仿生學(xué)應(yīng)用 自然界有很多能夠高效轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能的酶。以光合作用的第一步光反應(yīng)為例，通過(guò)原初反應(yīng)使光系統(tǒng)的反應(yīng)中心發(fā)生電荷分離，產(chǎn)生的高能電子推動(dòng)著光合膜

17、上的電子傳遞，這種方法的光能轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到 42%之多。隨著新型仿生技術(shù)的發(fā)展，達(dá)到，甚至超越這個(gè)數(shù)值是很可能的,有機(jī)太陽(yáng)能電池,36,4）兩種模型猜想 層狀模型 采用透光性能較好的材料作為極板材料，采取多層疊加的方式，每一層使用不同的光敏材料以吸收不同波長(zhǎng)的光，從而達(dá)到盡可能多的吸收太陽(yáng)光輻射的目的。這樣做優(yōu)點(diǎn)有二： a有針對(duì)性的吸收特定長(zhǎng)度的光更加便于控制，與傳統(tǒng)的廣譜吸光相比轉(zhuǎn)化率更高。 b.光線可以在層間發(fā)生反射，有效地降低了光能向外界的耗散。 針狀模型。 將有機(jī)太陽(yáng)能電池做成柔軟的針狀，并相對(duì)緊密的排列，增加其比表面積。光線照射在上面時(shí)，通過(guò)在針間的無(wú)數(shù)次反射減少光能向外界的耗散。由

18、于硅基太陽(yáng)能電池多為剛性材料，質(zhì)地脆而硬，制作上述電池有很大危險(xiǎn)，因此選用有機(jī)太陽(yáng)能電池?zé)o疑為更好的選擇,有機(jī)太陽(yáng)能電池,37,應(yīng)用前景,由于太陽(yáng)能雖然總量很大，但受場(chǎng)地及成本等因素限制不可能達(dá)到很高的功率，難以滿足高耗電場(chǎng)所的電力需求，而且太陽(yáng)能受天氣情況等因素影響較大，并不十分穩(wěn)定，所以利用它做主要能源是不現(xiàn)實(shí)的，但是太陽(yáng)能電池能作為重要的輔助能源。 工廠、學(xué)校的等大型耗電場(chǎng)所則依靠水利、風(fēng)力發(fā)電、核能發(fā)電等途徑獲得電力。這種多層次的供電體系既可以保證社會(huì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，也充分利用了清潔能源,有機(jī)太陽(yáng)能電池,38,產(chǎn)業(yè)化前景,尚德電力首席執(zhí)行官施正榮在達(dá)沃斯宣布，到2015年，世界上半數(shù)國(guó)家的太

19、陽(yáng)能光伏發(fā)電不需要補(bǔ)貼也都能夠同傳統(tǒng)能源相競(jìng)爭(zhēng)。目前，在印度、夏威夷、意大利和西班牙，太陽(yáng)能光伏已經(jīng)能夠與化石燃料一較高下。 美國(guó)提出“太陽(yáng)能先導(dǎo)計(jì)劃”意在降低太陽(yáng)能光伏發(fā)電的成本，使其2015年達(dá)到商業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)的水平；日本也提出了在2020年達(dá)到28GW的光伏發(fā)電總量；歐洲光伏協(xié)會(huì)提出了“setfor2020”規(guī)劃，規(guī)劃在2020年讓光伏發(fā)電做到商業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)。在發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的大背景下，各國(guó)政府對(duì)光伏發(fā)電的認(rèn)可度逐漸提高,有機(jī)太陽(yáng)能電池,39,國(guó)家能源局正式印發(fā)了太陽(yáng)能發(fā)電發(fā)展“十二五”規(guī)劃。規(guī)劃明確了“十二五”期間我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的七大重點(diǎn)任務(wù),一）有序推進(jìn)太陽(yáng)能電站建設(shè) （二）大力推廣分布式太陽(yáng)能光伏發(fā)電 （三）建設(shè)新能源微網(wǎng)示范工程 （四）創(chuàng)建新能源示范城市 （五）完善太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新體系 （六）提高太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)品持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)力 （七）建立完善太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)體系,有機(jī)太陽(yáng)能電池,40,事實(shí)上，人們已經(jīng)用上太陽(yáng)能，不過(guò)其成本大約是傳統(tǒng)電力的三倍。前者的成本是每千瓦1822美分