共轭聚合物与聚合物太阳能电池专题课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,ppt课件,*,共轭聚合物与聚合物太阳能电池,侯剑辉,研究员,中科院化学所，高分子物理与化学国家重点实验室,教授,北京科技大学化学与生物工程学院,1,ppt课件,共轭聚合物与聚合物太阳能电池侯剑辉1ppt课件,未来五十年人类面临的十大挑战,ENERGY,WATER,FOOD,ENVIRONMENT,POVERTY,TERRORISM & WAR,DISEASE,EDUCATION,DEMOCRACY,POPULATION,2050 10 Billion People,Slide from Richard Smalley,1996 Nobel Laureate in Chemistry,2,ppt课件,未来五十年人类面临的十大挑战ENERGY2050 ,3,3,ppt课件,33ppt课件,我国的太阳能分布,4,ppt课件,我国的太阳能分布4ppt课件,太阳能应用举例,5,ppt课件,太阳能应用举例5ppt课件,6,ppt课件,6ppt课件,7,ppt课件,7ppt课件,最有效的节能减排应用实例,？,8,ppt课件,最有效的节能减排应用实例？8ppt课件,太阳能热水器,9,ppt课件,太阳能热水器9ppt课件,我国已成为太阳能热水器的年产量和保有量均居世界首位。,统计数据显示：,2010,年我国的太阳能热水器年产量为,4900,万平方米，太阳能的保有量为,1.6,亿平方米。,国家对太阳能热水器产业的发展规划是：,2015,年我国太阳能热水器的保有量达到,4,亿平方米，太阳能热水器的保有量在,5,年内翻一番。,2010,年：节省煤炭,0.121.610,8,1920,万吨,以上数字来自网络,10,ppt课件,我国已成为太阳能热水器的年产量和保有量均居世界首位。以上数字,内容提要,共轭聚合物简介,共轭聚合物的应用领域,太阳能电池简介,有机聚合物太阳能电池简介,有机太阳能材料与器件,11,ppt课件,内容提要共轭聚合物简介11ppt课件,导电聚合物的发现和发展历史,1977年白川英树、,MacDiarmid, Heeger,等发现导电聚乙炔，开创了导电聚合物的研究领域。,H. Hirakawa,et al,.,J. Chem. Soc., Chem. Comm,. (1977) 579,70年代末、80年代初，聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等一系列导电聚合物相继发现，掀起研究热潮。,1990年英国剑桥大学发现PPV的电致发光现象和聚合物发光二极管（LED），激起广泛兴趣。,J.H. Burroughes,et al,.,Nature, 347(1990) 539,1991年，UCSB使用可溶性PPV衍生物制备出PLED,并大大提高了PLED的发光量子效率,促进了PLED的实用化研究.,D. Braun, A. J.,Heeger,Appl Phys Lett, 1991,58,1982,1984.,1992年UNIAX公司制备出可溶性导电聚合物, 解决了导电聚合物的加工性难题, 为导电聚合物的大规模应用铺平了道路,.,Y.,Cao,et al,.,Synth. Met.,1992, 48,91-97,1995年UCSB和UNIAX公司报道了聚合物C,60,本体异质结光伏电池，开辟了共轭聚合物太阳能电池的研究方向。,G.,Yu, et al.,Science, 1995, 270, 17891791,.,12,ppt课件,导电聚合物的发现和发展历史1977年白川英树、MacDiar,导电聚合物的突出优点,：,它不仅具有金属和无机半导体的电和光的性质，而且具有有机聚合物的力学性能（柔韧性）和可加工性。,“,Conducting polymers are remarkable in that they,combine,the electrical and optical properties of metals and inorganic semiconductors,with,the mechanical properties and processing advantages of organic polymers,.”,-from Oct. 23, 1995, C&EN, p.69.,13,ppt课件,导电聚合物的突出优点：13ppt课件,Alan J. Heeger,2000,年,Nobel,化学奖,“rewarded,for the discovery and development of electrically conductive polymers”,A.G. MacDiarmid,白 川 英 树,Haideki Shirakawa,14,ppt课件,Alan J. Heeger2000年Nobel化学奖“re,1996,年诺贝尔化学奖,美国的柯尔、史沫莱和英国的克罗脱,由于,C60,分子的形状和结构酷似英国式足球（,soccer,），所以又被形象地称为,Soccerene,（同样带有词尾,-ene,），中译名为“足球烯”。,还有人用富勒的名字（,Buckminster,）的词头,Buck,来命名，称为,Buckyball,，中译名为“布基球”。,克罗托等人之所以能够勾画出,C60,的分子结构，富勒的启示起了关键性作用，因此他们一致建议，用,Buckminster Fuller,的姓名加上一个词尾,-ene,来命名,C60,及其一系列碳原子簇，称为,Buckminsterfullerene,，简称,Fullerene,，中译名为富勒烯。,15,ppt课件,1996年诺贝尔化学奖美国的柯尔、史沫莱和英国的克罗脱 由,常见共轭聚合物的分子链结构,Polyacethylene,Polypyrrole,Polythiophene,Polyaniline,Poly(p-phenylene,vinylene),Poly(p-phenylene),Polyfluorene,导电聚合物,：,PA, PPy, PAn,发光聚合物,：,PPV,PF,PPP,PT,光伏聚合物,：,PT, PPV,16,ppt课件,常见共轭聚合物的分子链结构PolyacethylenePol,导电聚合物的应用,化学电源的电极材料,修饰电极和酶电极,电色显示,固体电容器,聚合物发光器件,（,LED&LEC,PPV,和,PF,等）,防静电和防腐蚀材料,(,聚苯胺等,),微波吸收（隐身材料）,聚合物光伏电池,(PTh,和,PPV,衍生物等,),PLED,和,PSC,的,ITO,电极修饰层,(PEDOT,PAn,等,),场效应晶体管,(FET),半导体材料,(PTh,衍生物）,17,ppt课件,导电聚合物的应用化学电源的电极材料17ppt课件,可以在各种基底（包括柔性基底）上使用廉价的技术成膜：,旋转涂膜（,spin coating,）,喷墨打印（,ink jet printing,）,丝网印刷（,screen printing,）,聚合物材料的易加工性和柔性特征,共轭聚合物在聚合物光电子器件中的应用,18,ppt课件,可以在各种基底（包括柔性基底）上使用廉价的技术成膜：聚合物材,应用举例,应用方向：薄膜太阳能电池，柔性显示装置，有机薄膜晶体管，有机存储器件，,19,ppt课件,应用举例应用方向：薄膜太阳能电池，柔性显示装置，有机薄膜晶体,20,ppt课件,20ppt课件,21,聚合物太阳能电池,成本低，制备工艺简单,可制备柔性器件,重量轻,21,ppt课件,21聚合物太阳能电池21ppt课件,聚合物光伏技术的特点,22,ppt课件,聚合物光伏技术的特点22ppt课件,23,有机,/,聚合物太阳能电池研究领域分析,中科院国科图 学科咨询部 吴鸣,(2011.1.6.),23,ppt课件,23有机/聚合物太阳能电池研究领域分析中科院国科图 学科咨询,光伏产业供需分析,24,ppt课件,光伏产业供需分析24ppt课件,Russell Gaudiana and,Christoph Brabec,Nature Photonics,2008, 2, 287,优点：,低价、易制备,(,溶液旋涂、印刷等,),2.,重量轻,3.,可制备成柔性器件,聚合物太阳能电池,25,ppt课件,Russell Gaudiana and优点：聚合物太阳能电,聚合物太阳能电池的发展历史,1992,年，聚合物,/C,60,间光诱导超快电荷传递的发现,N. Sariciftci, et al., Science, 1992,258, 1474,1993,年，制备双层聚合物,/C,60,太阳能电池成功,N. Sariciftci, et al., Appl. Phys. Lett., 1993,62, 585,1995,年，发明“本体异质结”型单层聚合物,/C,60,太阳能电池,G. Yu, et al., Science, 1995,270, 1789,2002,年，能量转换效率为,3.3%,的聚合物太阳能电池制备成功,C. Brabec, et al., Appl. Phys. Lett., 2002,80,1288,2002,年，提出共轭聚合物无机半导体纳晶杂化型太阳能电池，效率达到,1.7%,Huynh, W.U; et al. Science 2002 ,295,2425-2427,2004,年，能量转换效率达到,3.85%,P3HT/PCBM,C.J. Brabec,，,Solar Energy Materials & Solar Cells,，,83 (2004) 273,2005,年,能量转换效率达到约,5, （通过热处理）,P3HT/PCBM, M. Reyes-Reyes, et al., Appl. Phys. Lett., 2005, 87, 083506,W.L. Ma, et al., Adv. Funct. Mater., 2005, 15, 1617,26,ppt课件,聚合物太阳能电池的发展历史1992年，聚合物/C60间光诱导,OPV: An organic photovoltaic cell (OPV Cell) is a photovoltaic cell that uses organic electronics (organic polymers or small organic molecules) for light absorption and charge transport.,- By Wiki,单层,双层,本体异质结（,Bulk heterojunction,）,Merits:,廉价，大面积，柔性，轻便，等。,Demerits:,效率低，寿命短。,27,ppt课件,OPV: An organic photovoltaic c,活性层材料,n-Type materials: fullerene derivatives, conjugated polymers, organic molecules.,p-Type materials: conjugated polymers & organic molecules.,PCPDTBT,PSBTBT,PSiFDTBT,28,ppt课件,活性层材料n-Type materials: fullere,RR-P3HT,PCBM,29,ppt课件,RR-P3HTPCBM29ppt课件,Holes,Electrons,+,Electrode,-,Electrode,D/A Interface,Donor,Acceptor,h,u,30,聚合物太阳能电池工作原理,30,ppt课件,HolesElectrons+ Electrode- Ele,光电转换过程的五个阶段,（,1,）光照后光敏层吸收光子形成激子（电子,-,空穴对）；,（,2),激子扩散到给体受体界面；,（,3),给体中的激子将电子转移给受体，受体中的激子将空穴转移给给体，实现电荷分离；,（,4),电子和空穴分别沿受体和给体向负极和正极传递；,（,5),电子和空穴在电极光敏层界面处分别被负极和正极收集产生光电流和光电压。,31,ppt课件,光电转换过程的五个阶段（1）光照后光敏层吸收光子形成激子（电,聚合物太阳能电池对聚合物材料的要求,J,SC,：使聚合物材料的吸收光谱与太阳的发射光谱更加匹配。,V,OC,：增加聚合物的,HOMO,与电子受体的,LUMO,之间的能级差。,FF,：,改善聚合物材料的空穴迁移率。,溶解性,：这是溶液加工成膜的前提。,聚集和形貌,：给体,/,受体互穿网络结构对器件性能有重要影响,32,ppt课件,聚合物太阳能电池对聚合物材料的要求JSC：使聚合物材料的吸收,PCBM,P3HT,P3HT,PCBM,-2.74 eV,-4.76 eV,-3.91 eV,-5.93 eV,D,E,LUMO,= 1.17 eV,D,E,LUMO-HOMO,= 0.85 eV,LUMO,HOMO,聚合物太阳能电池面临的问题：,能量转换效率较低 ，主要是由于：,1.,共轭聚合物只能吸收部分太阳光（太阳光的利用率低）。,2.,共轭聚合物的电荷载流子迁移率低。,3.,给体,/,受体激子电荷分离的能量损失大。,太阳光谱和常用共轭聚合物吸收光谱的比较,33,ppt课件,PCBMP3HTP3HTPCBM-2.74 eV-4.76,高输出电压；大输出电流；良好的填充因子。,15%,的效率将会实现。,34,ppt课件,高输出电压；大输出电流；良好的填充因子。34ppt课件,A map,Light absorption,Exciton diffusion,Charge separation,Charge transport,Charge collection,Jsc,Voc,FF,Band gap,HOMO&LUMO,Mobility,Morphology,Others,PCE,Solid line: certain,Dash line: uncertain,Molecular,structure,35,ppt课件,A mapLight absorption Exciton,吸收光谱与光学带隙的测量与计算,UV-Vis,吸收光谱是表征材料的首要手段。,吸收边的位置用来计算光学带隙。,E,g,=,（,1240/,l,edge,）,eV,36,ppt课件,吸收光谱与光学带隙的测量与计算UV-Vis吸收光谱是表征材料,分子能级的测量与计算,电化学循环伏安（,CV,）方法通常用来测定,HOMO,与,LUMO,能级,紫外光电子能谱 （,UPS,）,37,ppt课件,分子能级的测量与计算电化学循环伏安（CV）方法通常用来测定H,迁移率的测量,激光飞行时间法（,TOF,）,场效应法（,FET,）,空间电荷限制电流法（,SCLC,）,38,ppt课件,迁移率的测量激光飞行时间法（TOF）38ppt课件,Molecular structure design,To enhance,p,-electron delocalizability is an effective way to lower the band gap of organic conjugated materials.,To introduce electron donating groups, like alkoxy and amino.,39,ppt课件,Molecular structure designTo e,2. To build conjugated structure with push-pull,p,-electron effect.,40,ppt课件,2. To build conjugated struct,3. To build conjugated structure with strong quinoid properties,41,ppt课件,3. To build conjugated struc,Molecular structure design How to improve mobility?,Including two part:,inter-,and,intra-,molecular charge transport.,Intermolecular charge transport can be improved by forming tight,p,-,p,stacking between molecules.,Regioregular structure; reducing steric hindrance caused by bulky non-conjugated part; planar conjugated structure; 2-dimensional conjugated structure; etc.,Intramolecular charge transport can be improved by enhancing,p,-electron delocalizability.,Seldom studied. (Possibly by reducing aromatic properties of conjugated components; quinoid structure; etc.),Hole mobility:,3 orders higher,Z3Z4,Twist angel,38.2,o,14.9,o,m,hole,cm,2,/(vs),1.84*10,-7,2.5*10,-5,HOMO eV,-5.2-4.8,J. of Phy.Chem. C,2009,113, 21202-21207.,Adv. Mater.,2009, 21, 4238.,42,ppt课件,Molecular structure design,Two examples,Donor: Molecular structure optimization of BDT-based polymers as highly efficient photovoltaic materials,Acceptor: Indene-substituted fullerenes,43,ppt课件,Two examples43ppt课件,Example 1.,Molecular structure optimization of polymer electron donor materials based on,Benzo1,2-b:4,5-bdithiophene (BDT).,Merits,Planar conjugated structure,Easy for synthesis and purification,Patent application: “Acive materials for photoelectric devices”, WO2010036494-A1 Inventor(s): HOU Jianhui; YANG Yang.,44,ppt课件,Example 1. Molecular structure,Band gap & Molecualr energy level control of BDT-based polymer,A broad scan of different combinations to get general information.,Macromolecules,2008,41,(16), 6012-6018.,45,ppt课件,Band gap & Molecualr energy le,Absorption spectra & band gap of the BDT polymers,Band gap (E,g,): 1.1 2.0 eV.,Calculated by,E,g,= 1240/,l,edge,UV-vis absorption spectra of the polymers.,Macromolecules,2008,41,(16), 6012-6018.,46,ppt课件,Absorption spectra & band gap,Comparisons,1. H6 & H8, influence of electron donating group,2. H7 & H9, influence of strong quinoid conjugated component.,47,ppt课件,Comparisons1. H6 & H8, influen,Voc of the BDT polymers,Macromolecules,2008,41,(16), 6012-6018.,48,ppt课件,Voc of the BDT polymersMacromo,PBDTTTs: An excellent example of systematical optimization of molecular structure,Starting point:,Good Jsc (Eg = 1.55eV),Low Voc (HOMO = -5.0eV),Good fill factor,Questions:,How to improve Voc?,How to get better Jsc?,Voc=0.58V; Jsc=15 (mA/cm,2,),PCE=5.7%; FF=66%,Liang et al.,J. Am. Chem. Soc,. 2009, 131, 5657.,49,ppt课件,PBDTTTs: An excellent example,1,st,step: replacing ester group by carbonyl group,50,ppt课件,1st step: replacing ester grou,2,nd,step: Adding F atom to enhance electron-withdrawing effect.,51,ppt课件,2nd step: Adding F atom to enh,52,ppt课件,52ppt课件,PV properties of the three PBDTTT-polymer based devices,Nature Photonics,2009,3,(11), 649-653.,53,ppt课件,PV properties of the three PBD,总结,什么是光伏技术？,常见的光伏技术有哪些？,有机,/,聚合物光伏与传统无机光伏的差别？,有机,/,聚合物光伏对材料的要求是什么？,54,ppt课件,总结什么是光伏技术？54ppt课件,