雜化太陽能電池原理

1、有機(jī)有機(jī)/ /無機(jī)半導(dǎo)體雜化無機(jī)半導(dǎo)體雜化太陽能電池太陽能電池郭慧云2015.10.24雜化太陽能電池簡介雜化太陽能電池的工作原理影響雜化太陽能電池效率的因素雜化太陽能電池簡介材料優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)無機(jī)半導(dǎo)體太陽能電池以硅為主太陽能轉(zhuǎn)化效率高（最高約37.19%），性能穩(wěn)定加工成本高，工藝路線復(fù)雜，難以大面積生產(chǎn)，能耗高有機(jī)太陽能電池以有機(jī)小分子；共軛聚合物和富勒烯衍生物為主電荷遷移率低，太陽能轉(zhuǎn)化效率低（通常約1%）質(zhì)量輕、可彎曲，容易進(jìn)行大面積生產(chǎn)雜化太陽能電池簡介雜化太陽能電池功能互補(bǔ)，協(xié)同優(yōu)化 以有機(jī)化合物和無機(jī)半導(dǎo)體材料的復(fù)合材料為主要原料制備的太陽能電池。雜化太陽能電池簡介有機(jī)化合物主要以聚

2、苯撐乙烯撐類、聚噻吩類、聚苯胺類和聚芴類為主。無機(jī)材料：大多為TiO2、ZnO、CdSe或CdS。有機(jī)小分子：共軛聚合物：酞菁，二萘嵌苯，C60等。雜化太陽能電池簡介典型的雜化太陽能電池結(jié)構(gòu)ITO玻璃給體材料有機(jī)化合物無機(jī)半導(dǎo)體材料金屬電極HOMOHOMOLUMOLUMO陽極受體材料陰極異質(zhì)結(jié)本體異質(zhì)結(jié)電池雜化太陽能電池的工作原理當(dāng)太陽光照射到電池表面時(shí)，能量大于共軛聚合物禁帶能的光子將激發(fā)聚當(dāng)太陽光照射到電池表面時(shí)，能量大于共軛聚合物禁帶能的光子將激發(fā)聚合物最高占有軌道合物最高占有軌道（HOMO）上的電子躍遷到其最低未占有軌道）上的電子躍遷到其最低未占有軌道（LUMO）上，因而）上，因而HO

3、MO軌道上將產(chǎn)生與激發(fā)電子數(shù)目相同的空穴軌道上將產(chǎn)生與激發(fā)電子數(shù)目相同的空穴, ,從從而形成電子而形成電子- -空穴對，即激子，激子不斷向共軛聚合物空穴對，即激子，激子不斷向共軛聚合物/ /無機(jī)半導(dǎo)體的界無機(jī)半導(dǎo)體的界面處（異質(zhì)結(jié)）運(yùn)動，當(dāng)激子到達(dá)界面時(shí)，由于共軛聚合物面處（異質(zhì)結(jié)）運(yùn)動，當(dāng)激子到達(dá)界面時(shí)，由于共軛聚合物/ /無機(jī)半導(dǎo)體無機(jī)半導(dǎo)體的界面能大于激子的分離能，激子將在界面處發(fā)生分離，形成載流子（電的界面能大于激子的分離能，激子將在界面處發(fā)生分離，形成載流子（電子和空穴子和空穴) )，電子進(jìn)入受體材料（無機(jī)半導(dǎo)體）的，電子進(jìn)入受體材料（無機(jī)半導(dǎo)體）的LUMO中，并沿著無機(jī)中，并沿著無

4、機(jī)半導(dǎo)體流向負(fù)極，空穴則沿著共軛聚合物流向正極，在負(fù)載的條件下形成半導(dǎo)體流向負(fù)極，空穴則沿著共軛聚合物流向正極，在負(fù)載的條件下形成電流。電流。 當(dāng)太陽光照射到電池表面時(shí)，能量大于共軛聚合物禁帶能的光子將激發(fā)聚合物最高占有軌道（HOMO）上的電子躍遷到其最低未占有軌道（LUMO）上，因而HOMO軌道上將產(chǎn)生與激發(fā)電子數(shù)目相同的空穴，從而形成激子，激子不斷向共軛聚合物/無機(jī)半導(dǎo)體的界面處運(yùn)動，當(dāng)激子到達(dá)界面時(shí)，由于共軛聚合物/無機(jī)半導(dǎo)體的界面能大于激子的分離能，激子將在界面處發(fā)生分離，形成載流子（電子和空穴)，電子進(jìn)入受體材料（無機(jī)半導(dǎo)體）的LUMO中，并沿著無機(jī)半導(dǎo)體流向負(fù)極，空穴則沿著共軛聚合

5、物流向正極，在負(fù)載的條件下形成電流。HOMO：分子中電子填充的能量最高軌道。LUMO：空軌道中電子填充能量最低的軌道。電子-空穴對雜化太陽能電池的工作原理雜化太陽能電池的工作過程雜化太陽能電池的工作過程雜化太陽能電池的工作過程雜化太陽能電池的工作過程影響雜化太陽能電池效率的因素光敏材料的選擇異質(zhì)結(jié)形態(tài)無機(jī)半導(dǎo)體的選擇無機(jī)半導(dǎo)體的表面改性優(yōu)化光敏層厚度激子的分離激子向異質(zhì)結(jié)遷移光的吸收激子的產(chǎn)生電荷傳輸和收集發(fā)生光的吸收、激子的發(fā)生光的吸收、激子的產(chǎn)生和遷移過程；光敏產(chǎn)生和遷移過程；光敏層厚度越大對光的吸收層厚度越大對光的吸收效率會越高，激子數(shù)量效率會越高，激子數(shù)量越大；但會使得激子的越大；但會

6、使得激子的遷移距離變長，從而載遷移距離變長，從而載流子復(fù)合幾率變大。流子復(fù)合幾率變大。低帶隙低帶隙 選擇低帶隙的有機(jī)半導(dǎo)體材料。 增加給體材料與受體材料間的接觸以提高激子的分離效率。提高激子的分離效率共混物形貌旋涂時(shí)所用溶劑兩種材料的比例化學(xué)添加劑溶液的濃度（固體含量）熱或溶劑退火材料的分子結(jié)構(gòu)和分子間排列影響雜化太陽能電池效率的因素雜化太陽能電池的退火 處理 對薄膜的退火處理： 影響電池內(nèi)部光敏層材料的微結(jié)構(gòu)給體材料（有機(jī)材料）的結(jié)晶過程受體材料（無機(jī)半導(dǎo)體材料）表面配位體交換反應(yīng)過程 給體材料在不同的結(jié)晶度下與受體材料之間的相分離程度不同，從而影響激子的分離和載流子的遷移過程，且不同的結(jié)晶度表現(xiàn)出對太陽光光譜的響應(yīng)范圍不同。對電池進(jìn)行合適的退火處理可以明顯擴(kuò)大電池對太陽光譜的吸收范圍。 利用受體材料表面在退火過程中發(fā)生配