有機(jī)太陽(yáng)能電池研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

1、有機(jī)太陽(yáng)能電池研究現(xiàn)狀與進(jìn)展有機(jī)太陽(yáng)能電池研究現(xiàn)狀與進(jìn)展文子桃文子桃1013122110131221中國(guó)石油大學(xué)（華東）資源中國(guó)石油大學(xué)（華東）資源10041004班摘要摘要用有機(jī)半導(dǎo)體制作太陽(yáng)能電池，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，雖然目前轉(zhuǎn)換效率較低，但具有發(fā)展的潛在優(yōu)勢(shì)。文章介紹了有機(jī)太陽(yáng)能電池基本性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、原理；從器件結(jié)構(gòu)、材料選擇、工藝技術(shù)等方面時(shí)近兒年來(lái)研究的幾種有機(jī)大陽(yáng)能電池現(xiàn)狀和進(jìn)展做了系統(tǒng)綜述，并且分析了有機(jī)太陽(yáng)能電池的缺陷和產(chǎn)

2、生原因，以及它的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)也進(jìn)行了簡(jiǎn)要描述。關(guān)鍵字關(guān)鍵字有機(jī)太陽(yáng)能電池性質(zhì)結(jié)構(gòu)原理光電轉(zhuǎn)換效率現(xiàn)狀缺陷展望一、引言一、引言在1954年貝爾實(shí)驗(yàn)室Chapin.D.M等人[1]制作了光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)6%的太陽(yáng)能電池標(biāo)志著商業(yè)化太陽(yáng)能電池研究的開(kāi)始。到20世紀(jì)70年代用于衛(wèi)星的半導(dǎo)體硅太陽(yáng)能的光電轉(zhuǎn)化效率已達(dá)到15%～20%。但硅系列太陽(yáng)能電池材料純度要求很高且制作工藝復(fù)雜因此成本高難以大規(guī)模生產(chǎn)。其它類型半導(dǎo)體材料的太陽(yáng)能電池因存在材料來(lái)

3、源及工藝等問(wèn)題也同樣難以得到推廣。而有機(jī)太陽(yáng)能電池以其材料來(lái)源廣泛、制作成本低、耗能少、可彎曲、易于大規(guī)模生產(chǎn)等突出優(yōu)勢(shì)顯示了其巨大開(kāi)發(fā)潛力成為近十幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外各高校及科研單位研究的熱點(diǎn)。1906年和1913年P(guān)ochettino[2]和Volmer分別報(bào)道了有機(jī)固態(tài)蒽晶體的光導(dǎo)效應(yīng)成為有機(jī)太陽(yáng)能電池研究的標(biāo)志性開(kāi)端并為以后的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。但自第1個(gè)有機(jī)太陽(yáng)能電池問(wèn)世以來(lái)其轉(zhuǎn)化效率一直不高至其最高轉(zhuǎn)化效率也只有10%左右與無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電

4、池相比仍有很大差距。有機(jī)太陽(yáng)能電池低的光電轉(zhuǎn)換效率限制了其市場(chǎng)化進(jìn)展因此提高有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率成為研究的重點(diǎn)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外為提高有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率從材料的選擇、工藝技術(shù)的改進(jìn)、電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等方面做了大量工作雖有所提高但無(wú)論從理論研究還是實(shí)際應(yīng)用仍未有重大突破因此需要不斷開(kāi)發(fā)新材料、改進(jìn)生產(chǎn)工藝、提高生產(chǎn)技術(shù)。二、二、有機(jī)太陽(yáng)能電池基本性質(zhì)有機(jī)太陽(yáng)能電池基本性質(zhì)共軛導(dǎo)電高分子材料由于同時(shí)具有聚合物的可加工性和柔韌性，

5、以及無(wú)機(jī)半導(dǎo)體或金屬的導(dǎo)電性。因而具有巨大的潛在商業(yè)應(yīng)用價(jià)值，與硅材料太陽(yáng)能電池相比較，有機(jī)高分子太陽(yáng)能電池具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）化學(xué)可變性大，原料來(lái)源廣泛[3]；（2）有多種途徑可改變和提高材料光譜吸收能力，擴(kuò)展光譜吸收范圍，并提高載流子的傳送能力[4]；（3）加工容易可大面積成膜，可采用旋轉(zhuǎn)法、流延法成膜，還可進(jìn)行拉伸取向使極性分子規(guī)整排列，采用LB膜技術(shù)可在分子生長(zhǎng)方向控制膜的厚度[5]；（4）容易進(jìn)行物理改性，如采用高能離子注入摻

6、雜或輻照處理可提高載流子的傳空穴就能夠分別產(chǎn)生于n型和p型半導(dǎo)體材料。這些電子和空穴就向pn結(jié)運(yùn)輸并擴(kuò)散通過(guò)pn結(jié)，并且繼續(xù)朝著相反的方向運(yùn)輸直到它們到達(dá)半導(dǎo)體的另一邊被某種導(dǎo)體吸收，而形成光電流。在半導(dǎo)體體系，光激發(fā)電流的電壓是依據(jù)使用材料禁帶帶隙寬度的大小而設(shè)定。而光激發(fā)電流的大小是由入射到光電池的光強(qiáng)而確定。禁帶寬度越大，電子產(chǎn)生的勢(shì)能也就越大。這類體系能量的損失來(lái)源于缺陷俘獲過(guò)程———帶電載流子與中間能態(tài)在半導(dǎo)體缺陷處結(jié)合。四、

7、幾種近年來(lái)研究的有機(jī)太陽(yáng)能電池四、幾種近年來(lái)研究的有機(jī)太陽(yáng)能電池有機(jī)太陽(yáng)能電池的分類方法較多按照有機(jī)半導(dǎo)體層材料的差別可分為3類:質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽(yáng)能電池、pn異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽(yáng)能電池、pn本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽(yáng)能電池。近十幾年來(lái)研究較多的還有染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池。4.1單質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽(yáng)能電池單質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池是研究最早的有機(jī)太陽(yáng)能電池。其電池結(jié)構(gòu)為:玻璃金屬電極染料金屬電極即為2種功函不同的電極之間為一單一的有機(jī)半導(dǎo)體層。一般常

8、用各種有機(jī)光伏材料均可被制成此類有機(jī)太陽(yáng)能電池如酞青類化合(phthalocyanine)卜啉(pphyrin)、青(cyanine)染料、葉綠素、導(dǎo)電聚合物等有機(jī)材料。各類有機(jī)材料各有其優(yōu)缺點(diǎn):酞青類化合物具有良好的熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性而卜啉具有良好的光穩(wěn)定性同時(shí)也是良好的光敏化劑但具有較大的電阻青易于合成、價(jià)格便宜是良好的光導(dǎo)體并具有良好的溶解性但穩(wěn)定性較差。單質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池工作原理是由于2電極功函不同電子從低功函的金屬電極穿過(guò)

9、有機(jī)層到達(dá)高功函電極而產(chǎn)生光電壓形成光電流其光伏特性取決于載流子的濃度。但由于電子與空穴在同一材料中傳輸因而復(fù)合幾率較大所以單質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率較低。黃頌羽[7]等人探究了此類電池中激子和載流子的輸運(yùn)機(jī)理認(rèn)為強(qiáng)的取向內(nèi)電場(chǎng)、超薄膜化和分子排列取向化是提高單質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的重要途徑。近年來(lái)人們利用共軛聚合物等導(dǎo)電聚合物作為有機(jī)層取得了較大進(jìn)展。目前實(shí)驗(yàn)室中以聚合物和有機(jī)分子材料制造的有機(jī)光付電池效率可達(dá)5

10、%接近于目前非晶硅的轉(zhuǎn)化效率(5%～10%)[8]。4.2pn異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽(yáng)能電池pn異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽(yáng)能電池電池結(jié)構(gòu)為:玻璃ITOn染料p染料金屬電極。由于其具有給體受體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的存在所以pn異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽(yáng)能電池較單質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率要高因此成為后來(lái)研究的重點(diǎn)。制作此類pn結(jié)電池可選用的有機(jī)材料較多。以前所用最多的是以酞青類化合物為p型半導(dǎo)體以北四甲醛亞胺化合物為n型半導(dǎo)體[9]。近幾年來(lái)用聚合物做傳輸電子