有機(jī)聚合物太陽能電池

1、有機(jī)聚合物太陽能電池的原理結(jié)構(gòu)與發(fā)展一、有機(jī)聚合物太陽能電池的原理二、有機(jī)聚合物太陽能電池的結(jié)構(gòu)三、有機(jī)聚合物太陽能電池的制造工藝四、有機(jī)聚合物太陽能電池的優(yōu)勢和發(fā)展前景參考文獻(xiàn)目錄一、有機(jī)聚合物太陽能電池的原理廣泛的講有機(jī)聚合物太陽能電池主要是利用有機(jī)高聚物來直接或間接將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷?。有機(jī)太陽能電池材料：根據(jù)電荷的傳輸有機(jī)空穴傳輸材料（P型,電子給體簡稱為D，即Donor）有機(jī)電子傳輸材料（N 型，電子受體，簡稱為A，即Acceptor）對于無機(jī)太陽能電池，光電流產(chǎn)生過程研究成熟，而有機(jī)半導(dǎo)體體系的光電流產(chǎn)生過程有很多值得商榷的地方，也是目前研究的熱點(diǎn)內(nèi)容之一，在光電流的產(chǎn)生原理方

2、面，很多是借鑒了無機(jī)太陽能電池的理論(比如說其能帶理論)，但是也有很多其獨(dú)特的方面。一般認(rèn)為有機(jī)聚合物太陽電池的光電轉(zhuǎn)換過程包括1：(A) 活躍層吸收光子，產(chǎn)生一個激發(fā)態(tài)或激子(結(jié)合的電子-空穴對)(B)激子然后擴(kuò)散到一個地區(qū)(C)它解離為一個電子和一個空穴。(D)分離電荷是運(yùn)送到各自的電極,即電子陰極和空穴陽極。轉(zhuǎn)換過程和損失機(jī)制如右圖2與無機(jī)異質(zhì)結(jié)電池區(qū)別：1、自由的電子和空穴2、內(nèi)置電場下的電子和空穴移動3、擴(kuò)散長度長1、激子連接緊密，界面分離2、載流子經(jīng)由電荷在不同分子間“跳躍”機(jī)理實現(xiàn)，載流子遷移率低3、激子壽命短，擴(kuò)散長度短，10nm二、有機(jī)聚合物太陽能電池的結(jié)構(gòu)基于肖特基接觸與鋁

3、接觸的單層器件原理圖3這種單層器件激子的分離效率低。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)的電場作用才能得到分離。而有機(jī)染料內(nèi)激子的遷移距離相當(dāng)有限，通常小于10nm。第一個有機(jī)光電轉(zhuǎn)化器件是由Kearns和Calvin在1958年制備的3，其主要材料為酞菁鎂(MgPc)染料，染料層夾在兩個功函數(shù)不同的電極之間。在該器件上，他們觀測到了200 mV的開路電壓，但光電轉(zhuǎn)化效率非常低。1、單層結(jié)構(gòu)1986年，柯達(dá)公司的鄧青云博士制備了四羧基苝的一種衍生物（PV）和酞菁銅（CuPc）組成的雙層膜異質(zhì)結(jié)器件，用兩種有機(jī)半導(dǎo)體材料來模仿無機(jī)異質(zhì)結(jié)太陽能電池，光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到1左右4。雙層異

4、質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽能電池，是由給體和受體兩種材料組成活性層。器件結(jié)構(gòu)如右圖所示：這種結(jié)構(gòu)將內(nèi)建場存在的結(jié)合面與金屬電極隔開，有機(jī)半導(dǎo)體和電極的接觸為歐姆接觸，形成異質(zhì)結(jié)的D/A界面為激子的解離阱。圖中我們可以看到，在D/A接觸面，存在內(nèi)建電場，于是在這個薄層中，庫倫勢能可以用于激子分離，產(chǎn)生的電子和空穴分別被電極收集，形成了光電流。雙層結(jié)構(gòu)的有機(jī)太陽能電池原理圖2、雙層結(jié)構(gòu)3、體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)為了解決雙層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的太陽能電池中的關(guān)鍵性問題，即D/A接觸面小的問題，我們采用了把給體受體材料同時溶于有機(jī)物，再制成薄膜方法，制成了所謂的體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)（給體受體電荷互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）1995年，Heeger小

5、組制得了MEH-PPV：C60互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的體異質(zhì)結(jié)太陽能電池，能量轉(zhuǎn)換率為295，器件性能與多層膜結(jié)構(gòu)相比有了大幅提高。旋涂(Spin coating)原理：旋轉(zhuǎn)涂敷法的工作原理是高速旋轉(zhuǎn)基片，利用離心力使得滴在基片上的溶液均勻的涂在基片上，溶劑揮發(fā)，留下溶質(zhì)形成均勻的薄膜，其厚度則根據(jù)不同溶液和基片問的粘滯系數(shù)而不同，也和旋轉(zhuǎn)的速度和時間有關(guān)。工具：臺式勻膠機(jī)（如右圖）三、有機(jī)聚合物太陽能電池的制造工藝1、旋涂技術(shù)真空蒸鍍(Thermal Evaporating)原理：真空蒸鍍法是物理氣象沉積方法中的一種，基本原理是在真空中運(yùn)用電阻大電流加熱的方法，采用鎢，鉬，鉑等高溶點(diǎn)化學(xué)性能穩(wěn)定的金屬

6、，加工成為適當(dāng)形狀的加熱源，或加上石英舟使加熱更均勻，在上面裝入所需蒸鍍的材料，利用電流的熱效應(yīng)使加熱器溫度達(dá)到材料蒸發(fā)的溫度，使鍍膜材料氣化，并在一定條件下使氣化的原子或分子牢固地凝結(jié)在所需蒸鍍的基片上形成薄膜。2、真空蒸鍍技術(shù)各種加熱源真空鍍膜機(jī)熱退火是指在真空干燥的條件下，將基片緩慢加熱到高于或低于臨界點(diǎn)(通常為聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度)，保持一定時間，隨后以適宜速度冷卻，從而獲得接近平衡狀態(tài)的組織和性能的一種熱處理工藝。3、熱退火技術(shù)有機(jī)聚合物太陽能電池器件在退火處理后，薄膜在納米尺度內(nèi)的形貌規(guī)整程度得到提高，半導(dǎo)體聚合物的結(jié)晶度也有所增加，同時改善了電極與光敏層薄膜的接觸，這些改進(jìn)有助

7、于載流子的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)移及電荷在電極處的收集，從而降低了聚合物太陽電池的串聯(lián)電阻，提高了器件的光電轉(zhuǎn)換效率。噴霧涂布（Spray-coating）通過噴槍或碟式霧化器，借助于壓力或離心力，分散成均勻而微細(xì)的霧滴，施涂于被涂物表面的涂裝方法。噴涂作業(yè)需要環(huán)境要求有百萬級到百級的無塵車間，噴涂設(shè)備有噴槍，噴漆室，供漆室，固化爐/烘干爐，噴涂工件輸送作業(yè)設(shè)備，消霧及廢水，廢氣處理設(shè)備等。4、噴霧涂布技術(shù)絲網(wǎng)印刷基本原理是：利用絲網(wǎng)印版部分網(wǎng)孔透油墨，部分網(wǎng)孔不透墨的基本原理進(jìn)行印刷。印刷時在絲網(wǎng)印版一端上倒入油墨，用刮印刮板在絲網(wǎng)印版上的油墨部位施加一定壓力，同時朝絲網(wǎng)印版另一端移動。油墨在移動中被刮板

8、從圖文部分的網(wǎng)孔中擠壓到承印物上。由于油墨的粘性作用而使印跡固著在一定范圍之內(nèi)，印刷過程中刮板始終與絲網(wǎng)印版和承印物呈線接觸，接觸線隨刮板移動而移動，由于絲網(wǎng)印版與承印物之間保持一定的間隙，使得印刷時的絲網(wǎng)印版通過自身的張力而產(chǎn)生對刮板的反作用力，這個反作用力稱為回彈力。由于回彈力的作用，使絲網(wǎng)印版與承印物只呈移動式線接觸，而絲網(wǎng)印版其它部分與承印物為脫離狀態(tài)。使油墨與絲網(wǎng)發(fā)生斷裂運(yùn)動，保證了印刷尺寸精度和避免蹭臟承印物。4、絲網(wǎng)印刷技術(shù)5、狹縫擠壓涂層刷技術(shù)狹縫擠壓涂布層印刷技術(shù)是當(dāng)今效率最高有機(jī)太陽能電池印刷技術(shù)包括，涂布液儲存罐；泵，用于將涂布液儲存罐里 的涂布液通過供給管路壓送到噴嘴處

9、；控制部，用于控制泵及噴嘴的的工作，壓力檢測部，用于檢測管路壓力，當(dāng)壓力達(dá)到預(yù)定壓力條件時噴嘴排除涂布液。技術(shù)來自 東麗工程株式會社工藝流程簡圖超凈間狹縫式涂布機(jī)工作流程印刷好的電池薄膜（1）東麗工程株式會社2013年9月20日宣布，該公司的“聚合物有機(jī)薄膜太陽能電池”達(dá)到了全世界最高的10.6%的轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)天，該公司在“第74屆應(yīng)用物理學(xué)會秋季學(xué)術(shù)演講會”（2013年9月16日20日）上公開了該電池的詳細(xì)情況。據(jù)東麗介紹，該太陽能電池在電子供體方面使用了自主開發(fā)的噻吩類高分子材料“polymer-1”。另外，還使用C70衍生物“PC70BM”作為電子受體（相當(dāng)于n型半導(dǎo)體）。polymer

10、-1的HOMO（最高占用分子軌道）能級為-5.1ev，帶隙為1.58ev。載流子遷移率約為1.010-2cm2/Vs，高于原來使用的電池供體材料。四、有機(jī)聚合物太陽能電池的優(yōu)勢和發(fā)展前景1、大規(guī)模生產(chǎn)的最高紀(jì)錄器件測量參數(shù)圖（2）有機(jī)光伏薄膜領(lǐng)域的行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)Heliatek Gmbh今天宣布，該公司有機(jī)光伏電池的電池效率達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的12.0%。這一世界紀(jì)錄是Heliatek公司與烏爾姆大學(xué)、德累斯頓工業(yè)大學(xué)共同努力的成果，著名測試機(jī)構(gòu) SGS對其進(jìn)行了測試和驗證。 這種有機(jī)光伏電池在1.1 平方厘米的標(biāo)準(zhǔn)面積上達(dá)到12.0%的高效率，它同時采用了兩種獲專利的吸收材料，可轉(zhuǎn)換不同波長的日光。

11、采用兩種不同的吸收材料有助于提高光子吸收力，并可通過更高的光電壓提高能量利用率。由于OPV在高溫和弱光條件下的獨(dú)特表現(xiàn)，其12%的破紀(jì)錄效率與傳統(tǒng)光伏技術(shù)（如晶體硅和薄膜光伏電池）達(dá)到的14% 到 15% 的效率相當(dāng)。在溫度逐漸升高和太陽能輻射逐漸減弱的情況下，這些傳統(tǒng)技術(shù)的電池效率將明顯下降，相比而言，有機(jī)電池在同等條件下卻能提高效率，從而可在現(xiàn)實環(huán)境中實現(xiàn)高得多的能源收集率。Heliatek的OPV技術(shù)目前正在轉(zhuǎn)入商業(yè)生產(chǎn)。第一條生產(chǎn)線于2012年春正式啟動，而且Heliatek已將光伏薄膜提供給行業(yè)合作伙伴進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)。整合了Heliatek光伏薄膜并將其用作能源收集組件的第一批合作伙伴

12、應(yīng)用預(yù)計將于2013年晚些時候投入商用市場。（1）制備工藝相對簡單，制作時消耗能量少（2）環(huán)保性好，其構(gòu)成成分均為容易處理的材料（3）適應(yīng)性強(qiáng)，高溫和弱光條件下的優(yōu)異（4）可制成半透明器件，柔性器件等等形式靈活多樣的器件（5）有機(jī)物來源廣泛，效率提升潛力大2、有機(jī)太陽能電池的優(yōu)勢3、有機(jī)太陽能電池的劣勢（1）有機(jī)材料載流子遷移率低（2）能量轉(zhuǎn)換效率有待提高（3）器件壽命短（4）目前無法實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化（5）難于大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電有機(jī)聚合物太陽能電池的應(yīng)用前景可表現(xiàn)在：可穿戴光伏設(shè)備（突出的柔性特點(diǎn)，環(huán)保特性），樓宇的玻璃幕墻（需要一定量光透過，又能利用剩余太陽能資源），條件比較極端的應(yīng)用場景（高溫

13、，弱光等），便攜式小型太陽能設(shè)備（材料輕?。┓律鷮W(xué)應(yīng)用（例如自然界中光合作用第一步光反應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)42%，可以人工合成這種酶，用以大幅度提高光伏器件效率）4、有機(jī)聚合物太陽能電池的前景參考文獻(xiàn)1 Liao K S, Yambem S D, Haldar A, Et Al. Designs And Architectures For The Next Generation Of Organic Solar CellsJ. Energies, 2010, 3(6): 1212-1250.2B. R. Weinberger , S. C.Gau , ZKiss，A polyacetylene: aluminum photodiodeJ，Appl. Phys. Lett.，1981，38：555-5573 雷德生.C和PCBM共摻P3HT體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的研究D.2009.4Tang C W. Twolayer organic photovoltaic cellJ. Applied Physic