Chap有機太陽能電池

Chap有機太陽能電池第1頁/共105頁太陽能電池應用技術歸類基本特性應用領域III-V族超高效率,超高穩(wěn)定度但成本極高太空應用單晶硅、多晶硅高效率,高穩(wěn)定度,具成本競爭力發(fā)電應用(取代傳統(tǒng)發(fā)電)，電力供應源有機化合物效率及穩(wěn)定度依產品訂定,極具成本競爭優(yōu)勢民生產品應用行動生活應用第2頁/共105頁以有機分子作為光作用材料的太陽能電池主要可區(qū)分為四大類：(1)染料敏化太陽能電池(dye-sensitizedsolarcell,DSSC)；(2)全有機半導體材質的太陽能電池；(3)高分子摻混碳六十及其衍生物的太陽能電池；(4)高分子摻混無機納米粒子的太陽能電池第3頁/共105頁全稱：染料敏化納米薄膜太陽能電池，是近年發(fā)展起來的一種太陽能電池，是由瑞士的Graktzel教授領導的研究小組首次提出的，是基于自然界中的光合作用原理而發(fā)明的．這種電池以廉價的TiO2

納米多孔膜作為半導體電極?，以Ru及Os等有機金屬化合物作為光敏化染料，選用適當?shù)难趸贿€原電解質做介質，組裝成染料敏化TiO2納米晶太陽能電池(簡稱DSSC電池)．5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池簡介第4頁/共105頁1991年，瑞士Gr?tzelM.以較低的成本得到了>7%的光電轉化效率。1998年，采用固體有機空穴傳輸材料的全固態(tài)DSSCs電池研制成功，其單色光電轉換效率達到33%，從而引起了全世界的關注。目前，DSSCs的光電轉化效率已能穩(wěn)定在10％以上，壽命能達15～20年，且其制造成本僅為硅太陽能電池的1/5～1/10。5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池簡介第5頁/共105頁1998,Sommelingetal1998,M,Gratzel,Black-dye,10.4%(AM1.5)2001,A.Hagfekttetal6.2%(AM1.5)2002,W.Kuboetal,6.0%(AM1.5)2003,1993,M,Gratzel,N719-dye,10.58%(AM1.5)2004,M,Gratzel,11.04%(AM1.5)1976,H.Tsubomura,etal,ZnO,2.5%(at563nm)1991,M.Gratzel,N3-dye,7.1-7.9%(AM1.5)1998.K.Tennakone,CuI,4.5%(simulatedsunlight)2003,M.Gratzel,6.6%(AM1.5)1993,M.Gratzel,Red-dye,10.0%(AM1.5)圖1.12TiO2染料敏化太陽電池發(fā)展簡況5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池簡介第6頁/共105頁從經(jīng)濟角度來講：若批量生產，電池的成本在5—10元/(峰瓦)左右[3]，而普通的硅電池在20-40元/(峰瓦)，因而染料敏化納米薄膜太陽電池電池非常適合批量生產，滿足城市居民以及廣大農村的需要，特別是對我國近七千萬邊遠地區(qū)人口的用電具有實際的意義。染料敏化太陽電池的優(yōu)點：5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池簡介第7頁/共105頁戰(zhàn)略角度來講我國是一個能源的消耗大國，特別是電力的短缺嚴重影響我國的經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。但是無論是核電還是火電所需要的燃料都是非常有限的，發(fā)電的同時也給環(huán)境造成了嚴重的污染。因此我國尤其應當注重太陽能這種可再生綠色能源的開發(fā)與利用。為經(jīng)濟、環(huán)境、社會的協(xié)調發(fā)展奠定良好的基礎。染料敏化太陽電池的優(yōu)點：5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池簡介第8頁/共105頁從實用性角度來講：從染料敏化納米薄膜太陽電池的結構可以看出，電池是由雙塊透明導電玻璃及有一定顏色的染料和電解質構成，而整個電池是透明的，且?guī)б欢伾钥梢酝ㄟ^適當選擇染料和電解質的顏色及TiO2膜的厚度來控制整個電池的透光率，這樣可以把電池用作窗戶玻璃，即透光又可當電池用。染料敏化太陽電池的優(yōu)點：5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池簡介第9頁/共105頁染料敏化納米薄膜太陽電池電池主要由以下幾部分組成：透明導電玻璃、納米多孔TiO2膜、染料光敏化劑、電解質和反電極5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構第10頁/共105頁

陽極：染料敏化半導體薄膜陰極：鍍鉑的導電玻璃

電解質：I3-/I-

TiO2膜:5~20um,1~4mg/cm2導電玻璃：8~10Ω/□5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構第11頁/共105頁導電玻璃二氧化鈦染料電解液碳電極導電玻璃5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池原理第12頁/共105頁5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池原理第13頁/共105頁電子注入染料電解液TiO2（20納米左右）光5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池原理第14頁/共105頁導電基底材料5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成導電基底材料又稱為導電電極材料,分為光陽極材料和光陰極材料(或稱反電極).目前作為導電基底材料的有透明導電玻璃、金屬箔片、聚合物導電基底材料等。要求導電基底材料的方塊電阻越小越好；光陽極和光陰極基底中至少要有一種是透明的，透光率一般要在85%以上。用于制備光陽極和光陰極襯底的作用是收集和傳輸從光陽極傳輸過來的電子，并通過外回路傳輸?shù)焦怅帢O并將電子提供給電解質中的電子受體。第15頁/共105頁導電基底材料5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成導電基底材料主要是透明導電玻璃，是在厚度為1-3mm的普通玻璃表面鍍上導電膜制成的。主要成份是摻F的透明SnO2膜（FTO），在SnO2和玻璃之間有一層幾個納米厚度的純SiO2膜，目的是防止高溫燒結過程中普通玻璃中Na+和K+等離子擴散到SnO2導電膜中。ITO也可作為該電池的導電襯底材料。第16頁/共105頁半導體薄膜主要是納米TiO2多孔薄膜。它是染料敏化太陽電池的核心之一，作用是吸附染料光敏化劑，并將激發(fā)態(tài)染料注入到電子傳輸?shù)綄щ娀?。主要有TiO2，ZnO，Nb2O5，WO3，Ta2O5，CdS，F(xiàn)e2O3和SnO2等。5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成TiO2光電陰極第17頁/共105頁納米半導體薄膜的特征:

具有大的比表面積，使其能夠有效地吸附單分子層染料，更好地利用太陽光；納米顆粒和導電基底以及納米半導體顆粒之間應有很好的電學接觸，使載流子在其中能有效地傳輸，保證大面積薄膜的導電性；電解質中的氧化還原電對（一般為I3-/I-)能夠滲透到納米半導體薄膜內部，使氧化態(tài)染料能有效地再生。5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成TiO2光電陰極第18頁/共105頁納米材料指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本結構單元構成的材料?；締卧淳S數(shù)分：零維：空間三維均在納米尺度，如納米尺度顆粒、原子團簇等量子點一維：空間有兩維處在納米尺度，如納米絲，納米棒、納米管等量子線二維：空間有一維處在納米尺度，如超薄膜，多層膜，超晶格等量子阱納米材料與納米結構的定義TiO2光電陰極5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第19頁/共105頁納米的基本概念人高紅血球分子及DNA氫原子針頭1納米0.1納米1千納米100萬

納米20億

納米TiO2光電陰極5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第20頁/共105頁電子能級的不連續(xù)性量子尺寸效應小尺寸效應表面效應宏觀量子隧道效應納米微粒的基本性質TiO2光電陰極5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第21頁/共105頁

當粒子尺寸下降到某一值時，金屬費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象和納米半導體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級，能隙變寬現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應。量子尺寸效應TiO2光電陰極5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第22頁/共105頁導電的金屬在超微顆粒時可以變成絕緣體d,δ，電子移動困難，電阻率增大，從而使能隙變寬，磁矩的大小和顆粒中電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關光譜線會產生向短波長方向的移動催化活性與原子數(shù)目有奇妙的聯(lián)系量子尺寸效應TiO2光電陰極5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第23頁/共105頁當納米微粒的尺寸與光波的波長、德布羅意波長、超導態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當或更小時，晶體周期性邊界條件被破壞；非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面附近的原子密度減小，導致聲、光、電、磁、熱、力學等特性呈現(xiàn)新的小尺寸效應。小尺寸效應TiO2光電陰極5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第24頁/共105頁光吸收顯著增加，并產生吸收峰的等離子共振頻移磁有序態(tài)向磁無序態(tài)、超導相向正常相轉變聲子譜發(fā)生改變納米顆粒的熔點降低塊狀1337K2nm600K金小尺寸效應TiO2光電陰極5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第25頁/共105頁表面效應是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨納米粒子尺寸的減小而大幅度地增加，粒子的表面能和表面張力也隨著增加，從而引起納米粒子性質的變化。表面效應TiO2光電陰極5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第26頁/共105頁納米微粒尺寸與表面原子數(shù)的關系表面效應TiO2光電陰極5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第27頁/共105頁表面原子所處的晶體場環(huán)境及結合能與內部原子有所不同，存在大量的表面缺陷和懸空鍵，具有不飽和性質，因而極易與其他原子反應，具有很高的化學反應活性。表面效應TiO2光電陰極5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第28頁/共105頁金屬銅或鋁的納米顆粒一遇空氣就會燃燒，發(fā)生爆炸(炸藥、火箭）一些無機納米微粒暴露在大氣中會吸附氣體，并與氣體進行反應（儲氫材料）很大的比表面，加快化學反應過程（高效催化劑）表面效應TiO2光電陰極5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第29頁/共105頁TiO2光電陰極5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第30頁/共105頁隧道效應：微觀粒子具有貫穿勢壘的能力電子具有粒子性又具有波動性，存在隧道效應。一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應，稱為宏觀的量子隧道效應。宏觀量子隧道效應TiO2光電陰極5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第31頁/共105頁宏觀量子隧道效應、量子尺寸效應將會是未來微電子、光電子器件的基礎，它確立了現(xiàn)存微電子器件進一步微型化的極限。當微電子器件進一步微型化時必須要考慮上述的量子效應。宏觀量子隧道效應TiO2光電陰極5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第32頁/共105頁量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應及量子隧道效應是納米微粒與納米固體的基本特性。它使納米微粒和納米固體呈現(xiàn)許多奇異的物理、化學性質，出現(xiàn)一些“反?！爆F(xiàn)象。TiO2光電陰極5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第33頁/共105頁?TiO2

膠體在450–500°C下煅燒薄膜厚度一般約：10μm粗糙度>1000，有效表面積大50-70%的多孔性，使電解液充分滲入。TiO2的SEMTiO2光電陰極5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第34頁/共105頁TiO2光電陰極5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第35頁/共105頁銳鈦礦和金紅石相TiO2TiO2光電陰極5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第36頁/共105頁TiO2光電陰極5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第37頁/共105頁納米TiO2在電池中起著重要作用，其結構性能決定染料吸附的多少。膜厚在10-15um是一個最優(yōu)化的厚度，光電轉換效率能達到最大值。納米TiO2對光的吸收、散射、折射產生重要影響，光照下太陽光在薄膜內被染料分子反復吸收，大大提高染料分子的光吸收率。納米TiO2薄膜對染料敏化太陽能電池中電子傳輸和界面復合起著很重要作用，影響光電流的輸出。TiO2光電陰極5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第38頁/共105頁在高效染料敏化電池中的納米多孔薄膜特點：大的比表面積和粗糙因子，能夠吸附大量的染料，對于8um的電極來說，粗糙因子可以達到1000；納米顆粒之間的相互連接，構成海綿狀的電極結構，使納米晶之間有很好的電接觸，電子在薄膜中有較快的傳輸速度，從而減少薄膜中電子和電解質受主的復合；氧化還原電對可以滲透到整個納米晶多孔膜半導體電極，使被氧化的染料分子能夠有效再生；納米多孔薄膜吸附染料的方式保證電子有效地注入薄膜導帶，使得納米晶半導體和其吸附的染料分子之間的界面電子轉移快速有效；對電極施加偏壓，在納米晶的表面能形成聚集層（厚度在幾到幾十納米）。對于本征和低摻雜半導體來說，在正偏壓作用下，不能形成耗盡層。TiO2光電陰極5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第39頁/共105頁影響光電流輸出的因素:激發(fā)態(tài)染料分子不能有效地將電子注入到TiO2導帶,而是通過內部轉換回到基態(tài)；氧化態(tài)染料分子不是被電解質中的I-還原，而是與TiO2導帶電子直接復合；電解質中I3-不是被對電極上的電子還原成I-，而是被TiO2導帶電子還原。TiO2光電陰極5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第40頁/共105頁染料目前大致分為3類：有釕吡啶有機金屬配合物、酞菁和菁類系列染料和天然染料．經(jīng)過實驗證明，用釕吡啶有機金屬配合物敏化TiO2電極的效果最佳．人們通過研究釕吡啶配合物敏化太陽能電池中各個環(huán)節(jié)的動力學速率常數(shù)發(fā)現(xiàn)，要獲得較高的光電轉換效率：首先使合成出的染料具有穩(wěn)定的氧化態(tài)和激發(fā)態(tài)，這樣不但會使電池具有較高的逆轉能力，還會使染料中的電子注入效率提高，從而使染料中的電子更容易注入到TiO2薄膜的導帶中去．染料5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第41頁/共105頁其次，染料分子應含有大鍵、高度共軛、并且有強的給電子基．只有這樣染料分子的能級軌道才能與納晶TiO2薄膜表面的O-離子形成大的共軛體系，使電子從染料轉移到TiO2薄膜更容易，電池的量子產率更高．

再次，染料在可見光區(qū)有較強的吸收，盡可能寬的吸收帶，從而吸收更多的太陽光，捕獲更多的能量，提高光電轉換效率．除了以上三點外，還要求染料能夠快速吸附到TiO2的孔道中，且不易脫附.染料5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第42頁/共105頁?由Gr?tzel研究小組合成的釕（Ru）配合物?釕（Ru）配合物染料染料5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第43頁/共105頁?釕（Ru）配合物染料染料5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第44頁/共105頁N3dye被吸收在TiO2

（101）表面上具有羧基的釕（Ru）配合物錨定TiO2表面，TiO2表面N3dye的覆蓋度為100%?釕（Ru）配合物染料染料5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第45頁/共105頁長期以來，染料敏化太陽能電池一直使用液態(tài)電解質.關于溶劑和金屬離子的選擇對太陽能電池的電流輸出有很大的影響．這是因為薄膜電極吸附陽離子后，半導體的導帶能級會發(fā)生變化，這種變化導致了激發(fā)態(tài)染料分子向半導體中注入電子的能力發(fā)生改變．因此可以通過調節(jié)金屬離子和溶劑來改善染料分子的注入能力．液體電解質種類繁多，電極電勢容易控制．但同時它也存在不足之處．液體電解質的存在容易導致吸附在薄膜上的染料解吸，影響電池的穩(wěn)定性；密封工藝復雜；電解質本身不穩(wěn)定，易發(fā)生化學變化，從而導致太陽能電池的失效.?電解液5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第46頁/共105頁

載流子遷移速度慢，在強光下光電流不穩(wěn)定速率慢，在強光下光電流不穩(wěn)定；除了氧化還原循環(huán)反應外，電解質還存在不可逆反應．這些都導致了電池的不穩(wěn)定和使用壽命的縮短．因此要使染料敏化太陽能電池走向實用化，必須解決電解質的問題．為了克服液體電解質的不足，人們開始致力于固體電解質的研究上．在染料敏化太陽能電池中，電解液的作用是將電子傳輸給激發(fā)態(tài)染料，空穴傳輸?shù)綄﹄姌O，從而完成一個光路循環(huán)．?電解液5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第47頁/共105頁包含I-/I3-氧化還原離子的電解液用于調節(jié)TiO2電極和相反電極之間的電子電池性能同以下因素有關：

-碘化物中電性相反的離子（Li+,Na+,K+)-溶劑?電解液5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第48頁/共105頁在相反電極處，I3-離子再生為I-離子Pt覆蓋的TCO(approx.200nm)或者碳常用來作為相反電極?相反電極5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC電池結構和組成第49頁/共105頁5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC的性能第50頁/共105頁5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC的性能第51頁/共105頁?電荷轉移動力學5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC的性能第52頁/共105頁高能量轉換效率低成本原料豐富在顏色的調控、適應消費者方面具有很大的潛力無污染可再生性好5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC的特點第53頁/共105頁把二氧化鈦膠體涂敷在透明導電玻璃上。就象二氧化鈦膜一樣，透明導電玻璃上已經(jīng)事先鍍有一層透明導電膜（SnO2）1．1．1溶膠的制備1.二氧化鈦薄膜的制備1．1．2基片的清洗與成膜5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC的制備第54頁/共105頁1.二氧化鈦薄膜的制備1．1．1溶膠的制備瑞士洛桑高等工學院Gratzel等人提出了一套TiO2薄膜的制備方案，他們將鈦醇鹽逐滴加入水中，通過控制加入的相應醇的量來調節(jié)溶膠濃度．鈦醇鹽在水中發(fā)生水解，生成沉淀，再將沉淀用去離子水清洗后，溶于硝酸．為了控制粒子的大小，還需控制水解的速度和溶膠的濃度．方法是將溶膠放人80℃烘箱烘8h．接下來是熱壓處理這些溶膠，熱壓處理可以控制粒子的生長與結晶．5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC的制備第55頁/共105頁

1．1．1溶膠的制備制備溶膠的第二種方法是用二氧化鈦粉體來制備．瑞士洛桑高等工學院Gritzel和華僑大學的范樂慶等人都使用過此種方法．其過程是稱取二氧化鈦粉(P25)放入研缽中，一邊研磨，一邊逐漸加入硝酸或乙酸(pH值為3～4)，每加入1mL酸都必須使其研磨得較均勻．1.二氧化鈦薄膜的制備5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC的制備第56頁/共105頁

1．1．1溶膠的制備第三種方法是將鈦醇鹽溶于部分無水乙醇中，然后加入二乙醇胺和濃鹽酸，室溫下用磁力攪拌器攪拌1h，混合均勻后再加入水和無水乙醇體積比為1：10的乙醇水溶液，得到穩(wěn)定、均勻、透明的淺黃色溶膠．此法制備溶膠比較簡單易行．1.二氧化鈦薄膜的制備5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC的制備第57頁/共105頁

1．1．2基片的清洗與成膜制備完溶膠后，下一步是成膜．在成膜之前，先要對導電玻璃進行清洗．清洗的方法是將薄膜分別放入水和乙醇中進行超聲清洗．在制備染料敏化太陽能電池中最常用的成膜方法是浸漬提拉法和膠帶涂敷法．浸漬提拉法是將清潔的基片浸泡在溶膠中，然后以一定的速率將基片沿與液面垂直方向提拉，這樣在基片表面就附著一層溶膠的薄膜．1.二氧化鈦薄膜的制備5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC的制備第58頁/共105頁

1．1．3薄膜的燒結

薄膜燒結的過程是鈦醇鹽發(fā)生縮聚反應的過程，在此過程中脫掉薄膜中的水和有機物而生成二氧化鈦．燒結過程要控制升溫速率、保溫時間、燒結溫度．因為它們對薄膜的粒徑、孔徑和晶型影響非常大．1.二氧化鈦薄膜的制備5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC的制備第59頁/共105頁2.利用天然染料把二氧化鈦膜著色

在新鮮的或冰凍的黑莓、山莓和石榴籽上滴3—4滴水，再進行擠壓、過濾，即可得到我們所需要的初始染料溶液；也可以把TiO2

膜直接放在已滴過水并擠壓過的漿果上，或在室溫下把TiO2膜浸泡在紅茶(木槿屬植物)溶液中。有些水果和葉子也可以用于著色。如果著色后的電極不立即用，必須把它存放在丙酮和脫植基的葉綠素混合溶液中。5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC的制備第60頁/共105頁3.制作反電極反電極是在導電玻璃鍍上白金、鎳或者碳．范樂慶等人¨比較了這幾種電極的性能．結果表明，白金電極效果最佳，鎳電極次之，碳電極活性較弱．碳電極的制備采用的是物理涂敷．用5B鉛筆在導電玻璃的導電面進行涂敷，盡量涂均勻．然后放人馬弗爐中進行熱處理，經(jīng)過熱處理后的碳電極用酒精進行沖洗后涼干即可獲得所需要的碳電極．5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC的制備第61頁/共105頁4.注入電解質注入含碘和碘離子的溶液作為太陽電池的電解質，它主要用于還原和再生染料。5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC的制備第62頁/共105頁把著色后的二氧化鈦膜面朝上放在桌上，在膜上面滴一到兩滴含碘和碘離子的電解質，然后把反電極的導電面朝下壓在二氧化鈦膜上。把兩片玻璃稍微錯開，以便利用暴露在外面的部分作為電極的測試用。利用兩個夾子把電池夾住，這樣，你的太陽能電池就作成了。在室外太陽光下，可以獲得開路電壓0.43V，短路電流1mA/cm2的自己做的太陽電池。5.組裝電池5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC的制備第63頁/共105頁

雖然染料敏化太陽能電池與硅太陽能電池相比具有獨特的優(yōu)越性，但是它距實用階段還有很大距離．如何進一步提高電池的光電轉化效率、開發(fā)高效的固態(tài)電解質以及尋找更好的光敏感染料都是染料敏化納米晶太陽能電池研究領域里有待解決的問題．5.1染料敏化太陽能電池及材料DSSC未來發(fā)展第64頁/共105頁工作原理:有機半導體產生的電子和空穴束縛在激子(excitons)之中,電子和空穴在界面(電極和導電聚合物的結合處)上分離。美國加州伯克利分?？茖W家在2002年利用塑料納米技術研制出第一代塑料太陽能電池，可以安裝在一系列便攜式設備及可穿戴式電子設備上。提供0．7V的電壓。特點：價格低、易成型，通過化學修飾調控性能。5.2有機聚合物太陽電池OPV簡介第65頁/共105頁柔性質輕器件OPV簡介5.2有機聚合物太陽電池第66頁/共105頁1.由少數(shù)幾種元素組成.C、H、O、N、S、P、X·····2.形成.

有鏈和環(huán)

3.有機物中同分異構體很多.

如C2H6O（分子式）結構式CH3CH2OH乙醇

CH3OCH3

甲醚有機組成上的特點5.2有機聚合物太陽電池OPV簡介第67頁/共105頁總之：（1）.有機物都含有碳，不易形成離子化合物，易形成共價化合物，且可形成C-C共價鍵，具有同分異構現(xiàn)象、立體異構現(xiàn)象。有同分異構體、立體異構體。（2）組成復雜.

如C63H90N14PCo維生素B12

葉綠素牛胰島素（51肽）等。5.2有機聚合物太陽電池OPV簡介第68頁/共105頁69vandeWaals力沒有自由載流子或者很少，因為材料中的缺陷和雜質離散能級(但通常也用能帶來描述)共價鍵+離子鍵具有一定濃度的載流子1010~1018cm-3連續(xù)能帶結構注意:激子結合能~0.3eV有機材料無機材料5.2有機聚合物太陽電池OPV簡介第69頁/共105頁優(yōu)點成本低質量輕材料來源廣泛制備工藝簡單可做在柔性襯底上可大面積生產材料的光及電特性可調整缺點效率低壽命短有機太陽能電池優(yōu)缺點第70頁/共105頁第71頁/共105頁給體/受體年代填充因子FF(%)能量轉換效率

(%)研究小組CuPc/PV198665~1TangMEH-PPV/CN-PPV199560-70~1Yu/HeegerPOPT/CN-PPV199860-70~2Hall/FriendMDMO-PPV/PCBM-C60200150-602.5SariciftciP3HT/PCBM-C60200260-702.8BrabecMDMO-PPV/PCBM-C60200370-803.0JanssenCuPc/C60200450-60~5ForrestP3HT/PCBM200560-80~5YangP3HT/PCBM-C602007676.5Heeger有機太陽能電池發(fā)展5.4有機太陽能電池第72頁/共105頁有機薄膜制作方法(膜厚由轉速、溶劑、組成成分和濃度決定)刮刀刀片絲網(wǎng)印刷旋涂有機太陽能電池制作方法5.4有機太陽能電池第73頁/共105頁圖1.9有機太陽電池結構示意圖有機太陽能電池制作方法5.4有機太陽能電池第74頁/共105頁HOMOHOMOLUMOLUMO下電極上電極給體受體hυ真空吸收光子產生激子

(電子空穴對)激子在給體受體界面分離自由電子和空穴傳輸并被兩極收集電荷產生，傳輸和收集有機太陽能電池原理5.4有機太陽能電池第75頁/共105頁五個關鍵步驟1

激子擴散：激子的擴散長度應該至少等于薄膜的厚度，否則激子就會發(fā)生復合，造成吸收光子的浪費。

電荷分離：對于單層器件，激子在電極與有機半導體界面處離化，對于雙層器件，激子在施主－受主界面形成的p-n結處離化。

電荷傳輸：在有機材料中，電荷的傳輸是定域態(tài)間的跳躍，而不是能帶內的傳輸，這意味著有機材料和聚合物材料中載流子的遷移率通常都比無機半導體材料的低。2345

電荷收集：電荷的收集效率也是影響光伏器件功率轉換效率的關鍵因素，金屬與半導體接觸時會產生一個阻擋層，阻礙電荷順利地到達金屬電極。光子吸收：在大部分有機太陽能電池中，因為材料的帶隙過高，只有一小部分入射光被吸收，吸收只能達到30％左右。有機太陽能電池原理5.4有機太陽能電池第76頁/共105頁短路電流Isc

太陽電池在短路條件下的工作電流稱為短路光電流(Isc)開路電壓Voc

太陽電池在開路條件下的輸出電壓稱為開路光電壓(Voc)填充因子FFFF=Vm·Im/Voc·Isc有機太陽能電池特性參數(shù)5.4有機太陽能電池第77頁/共105頁太陽能電池能量轉換效率(PCE)：

太陽電池受光面積的最大輸出功率（Pmax）與入射的太陽光能量密度（Plight）的百分比。R(JV)maxJscVocR(0,∞)5.4有機太陽能電池第78頁/共105頁單層太陽能電池（肖特基型）雙層太陽能電池體摻雜太陽能電池有機太陽能電池分類5.4有機太陽能電池第79頁/共105頁

半透明金屬電極層（或ITO）有機層金屬電極層光照單層太陽電池結構圖Glass單層太陽電池原理圖Ф:workfunction,χ:electronaffinity,IP:ionisationpotential,Eg:opticalbandgap.有機太陽能電池分類1.單層太陽能電池（肖特基型）5.4有機太陽能電池第80頁/共105頁

此種結構在1986年，由柯達公司的C.W.Tang首先提出提出(ITO/CuPc/PV/Ag)，其電池轉換效率約為1%。陰極ADGlass陽極光照雙層太陽電池結構圖D：給體A：受體雙層太陽電池原理圖有機太陽能電池分類2.雙層太陽能電池5.4有機太陽能電池第81頁/共105頁陰極D＋AGlass陽極光照體摻雜太陽電池結構圖體摻雜太陽電池原理圖有機太陽能電池分類3.體摻雜型太陽能電池5.4有機太陽能電池第82頁/共105頁給體材料受體材料PC70BM有機太陽能電池分類3.體摻雜型太陽能電池常用材料5.4有機太陽能電池第83頁/共105頁材料的吸收和帶寬激活層的表面形貌材料中載流子(電子和空穴)的遷移率電極的功函數(shù)有機太陽能電池效率影響因素5.4有機太陽能電池第84頁/共105頁給體和受體材料比例的影響器件的退火影響溶劑的影響結構優(yōu)化電極接觸界面的影響體摻雜型太陽能電池的優(yōu)化5.4有機太陽能電池第85頁/共105頁1.給體和受體材料比例的影響

研究發(fā)現(xiàn)混合層中給體和受體材料的比例直接影響活性層中兩相的相分離大小。在P3HT∶PCBM體異質結太陽能電池中,P3HT鏈π-π相互作用一些.當PCBM的濃度低于47%的時候,不能形成有效的電子傳輸路徑;

而當PCBM的濃度高于60%以后,PCBM的聚集形成大尺寸晶粒會降低電子的輸運和破壞有機層/電極的界面.P3HT∶PCBM體系的最佳比例是1:0.8～1:1[]。[]CHIRVASED,etal.[J].Nanotechnology,2004,15:131721323體摻雜型太陽能電池的優(yōu)化5.4有機太陽能電池第86頁/共105頁2.退火對器件影響Voc=0.65V,Jsc=3.86mA·cm?2

FF=0.34,η=1.11%.Voc=0.6V,Jsc=11.1mA·cm?2

FF=0.54η=4.9%,155℃,處理5min結構：ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al[]MarisolReyes-Reyes,KyungkonKim,andDavidL.Carrolla,APPLIEDPHYSICSLETTERS87,083506(2005)體摻雜型太陽能電池的優(yōu)化5.4有機太陽能電池第87頁/共105頁SolventannealedFastdryingP3HT:PCBM的AFM納米微結構的形成5.4有機太陽能電池第88頁/共105頁Fastdryingfilm20minutesdryingtime不同時間后干燥的太陽能電池特性5.4有機太陽能電池第89頁/共105頁注意

IPCE@600nm的衰退

在P3HT吸收,600nm對應鏈間的相互作用

(

π-π

堆垛)PCE=~4-5%20mindryingtimeFastdryingfilm外量子效率5.4有機太陽能電池第90頁/共105頁3.溶劑的影響[1]YoungkyooKim,etal.APL,86,063502(2005)[2]LIG,etal.NatureMaterials,2005,4:8642868.J–VoftheCB(a)andDCB(b)devices:(1)Solidlines--softbakedat50℃for15min(2)dashedlines--annealedat140℃for15min(CB)and30min(DCB)inanitrogen

在體異質結結構太陽能電池中,由于溶解性、溶劑的極性、揮發(fā)性等的不同,采用不同的溶劑成膜直接影響活性層中兩相的和薄膜的微觀形態(tài).目前的有機太陽能電池中比較常見的溶劑主要是甲苯、氯苯(CB)、二氯苯(DCB)[1]和氯仿等。而且溶劑的揮發(fā)速度對于電池性能也有很大的影響[2]。體摻雜型太陽能電池的優(yōu)化5.4有機太陽能電池第91頁/共105頁4.結構優(yōu)化陰極NPGlass陽極I光照P-I-N型太陽電池結構圖P層：空穴傳輸層（HTL）I層：電子傳輸層（ETL）4.1加入電子和空穴傳輸層[]B.Maennigetal.，AppliedPhysicsA.DOI:10.1007/s00339-003-2494-9體摻雜型太陽能電池的優(yōu)化5.4有機太陽能電池第92頁/共105頁4.2疊層太陽能電池陰極ActivelayerActivelayerGlass中間層陽極光照疊層太陽電池結構圖

疊層太陽電池的一大特點是高電壓小電流，即其總的開路電壓近似等于各個單層電池的開路電壓之和，而短路電流則等于各個電池中短路電流最小值，所以在疊層太陽能電池設計時頂層和底層電池的電流匹配是關鍵因素。體摻雜型太陽能電池的優(yōu)化5.4有機太陽能電池第93頁/共105頁Jsc

=7.8mA/cm2,Voc=1.24V,FF=0.67,η

=6.5%.[]EfficientTandemPolymerSolarCellsFabricatedbyAll-SolutionProcessing，JinYoungKim,etal.，Science317,222(2007);體摻雜型太陽能電池的優(yōu)化5.4有機太陽能電池第94頁/共105頁5.電極接觸界面的影響

在有機太陽能電池中，與活性層(有機物)接觸的電極對電池的性能有極大的影響，所以要對其進行相應的處理一般常用的陰極和陽極材料分別為Al和ITO。[1]A.B.Djurisetal.,J.Appl.Phys.93,5472–5479(2003).[2]BRABECCJ,etal.[J].ApplPhysLett,2002,80(7)