有機聚合物太陽能電池

1、有機聚合物太陽能電池(dinch)的原理結構與發(fā)展共二十四頁一、有機聚合物太陽能電池的原理二、有機聚合物太陽能電池的結構三、有機聚合物太陽能電池的制造工藝四、有機聚合物太陽能電池的優(yōu)勢(yush)和發(fā)展前景參考文獻目錄(ml)共二十四頁一、有機聚合物太陽能電池(dinch)的原理廣泛的講有機聚合物太陽能電池主要是利用有機高聚物來直接或間接將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷?。有機太陽能電池材料：根據(jù)電荷的傳輸有機空穴傳輸材料（P型,電子(dinz)給體簡稱為D，即Donor）有機電子傳輸材料（N 型，電子受體，簡稱為A，即Acceptor）共二十四頁對于無機太陽能電池，光電流產(chǎn)生過程研究成熟(chngsh

2、)，而有機半導體體系的光電流產(chǎn)生過程有很多值得商榷的地方，也是目前研究的熱點內(nèi)容之一，在光電流的產(chǎn)生原理方面，很多是借鑒了無機太陽能電池的理論(比如說其能帶理論)，但是也有很多其獨特的方面。一般認為有機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(結合的電子-空穴對)(b)激子然后擴散到一個地區(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)換過程和損失機制如右圖2共二十四頁與無機(wj)異質(zhì)結電池區(qū)別：1、自由的電子和空穴(kn xu)2、內(nèi)置電場下的電子和空穴移動3、擴散長度長1、激子連接緊密，界面分離2、載流

3、子經(jīng)由電荷在不同分子間“跳躍”機理實現(xiàn)，載流子遷移率低3、激子壽命短，擴散長度短，10nm共二十四頁二、有機(yuj)聚合物太陽能電池的結構基于肖特基接觸(jich)與鋁接觸(jich)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，只有在肖特基結的擴散層內(nèi)，依靠節(jié)區(qū)的電場作用才能得到分離。而有機染料內(nèi)激子的遷移距離相當有限，通常小于10nm。第一個有機光電轉(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、單層結構共二十四

4、頁1986年，柯達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)結器件，用兩種有機半導體材料來模仿(mfng)無機異質(zhì)結太陽能電池，光電轉(zhuǎn)化效率達到1左右4。雙層異質(zhì)結結構的有機太陽能電池，是由給體和受體兩種材料組成活性層。器件結構如右圖所示：這種結構將內(nèi)建場存在的結合面與金屬電極隔開，有機半導體和電極的接觸為歐姆接觸，形成異質(zhì)結的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(fnbi)被電極收集，形成了光電流。雙層結構的有機太陽能電池原理圖2、雙層結構共二十四

5、頁3、體異質(zhì)(y zh)結結構為了解決雙層異質(zhì)結結構的太陽能電池中的關鍵性問題(wnt)，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物，再制成薄膜方法，制成了所謂的體異質(zhì)結結構（給體受體電荷互穿網(wǎng)絡結構）1995年，Heeger小組制得了MEH-PPV：C60互穿網(wǎng)絡結構的體異質(zhì)結太陽能電池，能量轉(zhuǎn)換率為295，器件性能與多層膜結構相比有了大幅提高。共二十四頁旋涂(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

6、間(shjin)有關。工具：臺式勻膠機（如右圖）三、有機聚合物太陽能電池的制造(zhzo)工藝1、旋涂技術共二十四頁真空蒸鍍(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用電阻大電流加熱的方法，采用鎢，鉬，鉑等高溶點化學性能穩(wěn)定的金屬，加工成為適當(shdng)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，利用電流的熱效應使加熱器溫度達到材料蒸發(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在所需蒸鍍的基片上形成薄膜。2、真空(zhnkng)蒸鍍技術各種加熱源真空鍍膜機共二十四頁熱退火是指在真空

7、干燥的條件下，將基片緩慢加熱到高于或低于臨界點(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)(zhungti)的組織和性能的一種熱處理工藝。3、熱退火(tu hu)技術有機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，半導體聚合物的結晶度也有所增加，同時改善了電極與光敏層薄膜的接觸，這些改進有助于載流子的產(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。共二十四頁噴霧涂布（Spray-coating）通過噴槍或碟式霧化器，借助于壓力或離心力，分散成均勻而微細的霧滴，施涂于被涂物表面

8、的涂裝方法。噴涂作業(yè)需要(xyo)環(huán)境要求有百萬級到百級的無塵車間，噴涂設備有噴槍，噴漆室，供漆室，固化爐/烘干爐，噴涂工件輸送作業(yè)設備，消霧及廢水，廢氣處理設備等。4、噴霧涂布技術(jsh)共二十四頁絲網(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

9、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(qt)部分與承印物為脫離狀態(tài)。使油墨與絲網(wǎng)發(fā)生斷裂運動，保證了印刷尺寸精度和避免蹭臟承印物。4、絲網(wǎng)(s wn)印刷技術共二十四頁5、狹縫(xi fn)擠壓涂層刷技術狹縫擠壓涂布層印刷技術是當今效率最高有機太陽能電池印刷技術包括，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；控制部，用于控制泵及噴嘴的的工作，壓力檢測(jin c)部，用于檢測(jin c)管路壓力，當壓力達到預定壓力條件時噴嘴排除涂布液。技術來自 東麗工

10、程株式會社工藝流程簡圖超凈間共二十四頁狹縫式涂布機工作(gngzu)流程印刷(ynshu)好的電池薄膜共二十四頁（1）東麗工程株式會社2013年9月20日宣布，該公司的“聚合物有機薄膜太陽能電池”達到了全世界最高的10.6%的轉(zhuǎn)換效率。當天，該公司在“第74屆應用物理學會秋季學術演講會”（2013年9月16日20日）上公開了該電池的詳細情況。據(jù)東麗介紹，該太陽能電池在電子供體方面(fngmin)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（相當于n型半導體）。polymer-1的HOMO（最高占用分子軌道）能級為-5.1ev，帶隙

11、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(yuj)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)的最高紀錄共二十四頁器件(qjin)測量參數(shù)圖共二十四頁（2）有機光伏薄膜領域的行業(yè)領先企業(yè)Heliatek Gmbh今天宣布，該公司有機光伏電池的電池效率達到了創(chuàng)紀錄的12.0%。這一世界紀錄是Heliatek公司與烏爾姆大學、德累斯頓工業(yè)大學共同努力的成果，著名測試機構 SGS對其進行了測試和驗證。 這種有機光伏電池在1.1 平方厘米的標準面積上達到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。采用兩種不同的吸

12、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(yuy)OPV在高溫和弱光條件下的獨特表現(xiàn)，其12%的破紀錄效率與傳統(tǒng)光伏技術（如晶體硅和薄膜光伏電池）達到的14% 到 15% 的效率相當。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)技術的電池效率將明顯下降，相比而言，有機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。共二十四頁Heliatek的OPV技術目前(mqin)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

13、的第一批合作伙伴應用預計將于2013年晚些時候投入商用市場。共二十四頁（1）制備工藝相對簡單，制作時消耗能量少（2）環(huán)保性好，其構成成分均為容易處理(chl)的材料（3）適應性強，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）有機物來源廣泛，效率提升潛力大2、有機太陽能電池(dinch)的優(yōu)勢3、有機太陽能電池的劣勢（1）有機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)電共二十四頁有機聚合物太陽能電池的應用前景可表現(xiàn)在：可穿戴光伏設備（突出的柔性(ru xn)特點，環(huán)保特性），樓宇的玻璃幕墻

14、（需要一定量光透過，又能利用剩余太陽能資源），條件比較極端的應用場景（高溫，弱光等），便攜式小型太陽能設備（材料輕?。┓律鷮W應用（例如自然界中光合作用第一步光反應的能量轉(zhuǎn)換效率高達42%，可以人工合成這種酶，用以大幅度提高光伏器件效率）4、有機聚合物太陽能電池(dinch)的前景共二十四頁參考文獻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.

15、 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)(y zh)結太陽能電池的研究D.2009.4Tang C W. Twolayer organic photovoltaic cellJ. Applied Physics Letters, 1986, 48(2): 183-185.5 Yu G, Gao J, Hummelen J C, et al. Polymer Photovoltaic Cells: Enhanced Efficiencies via a Network of Internal Donor-Acceptor HeterojunctionsJ. Science, 1995, 270(5243): 1789-1791.共二十四頁謝謝(xi xie)！共二十四頁內(nèi)容摘要有機聚合物太陽能電池的原理結構與發(fā)展。廣泛的講有機聚合物太陽能電池主要(zhyo)是利用有機高聚物來直接或間接將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠?/p>