聚合物太阳能电池

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,*,聚合物太阳能电池的研究进展,专业：高分子材料科学与工程,姓名：陈 娟,学号：,B10011105,1,一研究背景及意义,二有机太阳能电池的基本工,作原理,三有机太阳能电池材料,四. 聚合物太阳能电池器件的,五展望,2,一研究背景及意义,背景：,目前,全球总能耗的,74%,来自煤炭,!,石油和天然气等化石能源。人类过度开采和使用化石能源。据估计,全球煤炭的开采年限为,200,年,而石油天然气则将会在未来,50,年左右枯竭，因此能源危机是,21,世纪人类面对的主要问题。新能源的开发和利用已引起世界各国的高度重视。太阳能以其绿色环保,!,取之不尽用之不竭等优点成为了可再生能源的研究重点。,3,意义：,硅基及其它无机金属化合物太阳能电池是这一研究领域的主流。近年来虽然其价格有大幅度的下降,但成本问题仍然是其大幅取代传统能源的主要障碍。,有机半导体包括小分子和聚合物材料,是国际上正在兴起的一类新型太阳能电池材料,同无机半导体相比,有机材料有很多的优点,:,化学可变性大,原料来源广泛,;,有多种途径可以改变和提高光谱吸收能力,扩展光谱吸收范围并提高材料载流子的传输能力,;,加工容易,可大面积成膜,;,容易进行物理改性,;,价格便宜,工艺简单等特点。,4,研究进展：,1986,年,C.WTang,在有机太阳能电池方面做出了开拓性的工作，他提出了双层有机太阳能电池结构，如下图：,他首先在,ITO,玻璃上蒸镀一层,P,型材料酞著铜,(CuPc),然后是一层,N,型材料花酞亚胺,(PTCBI),最后选取银作为是电池的金属电极。,近年来,，,世界各国科学家、研究学者从材料的选择和器件结构的优化着手,对有机聚合物太阳能电池做了深入的研究,在研究和应用方面都取得了很好的成果，但聚合物太阳能电池光电转换效率仍然很低，只有5,左右。,1986,年,C.WTang,在有机太阳能电池方面做出了开拓性的工作，他提出了双层有机太阳能电池结构，如下图：,5,二有机太阳能电池的基本工作 原理,无机太阳能电池：,半导体材料的能带理论是光生载流子最好的理论解释，即：无机太阳能电池一般由P型半导体材料和N型半导体材料接触,其中两种材料的结合部分形成P一N结,P一N结在光照下,内部的空间电荷区被激发,产生电子一空穴对,无机半导体材料有较大的介电常数和电子离域的特性,电子空穴间的库仑势能很小,电子一空穴对会很容易的分离成自由的电子和空穴,它们在内建电场的作用下会向电极两端移动,这样就形成了电流。,6,有机太阳能电池：,在外场作用下,激子解离成自由移动的电子和空穴，电子和空穴的迁移运动就形成了光电流。概括来讲,有机太阳能电池的基本过程括,:,1.,光的吸收,;,2.,激子的形成,;,3.,激子的迁移,;,4.,激子的解离,;,5.,载流子分开,;,6.,载流子迁移,;,7.,载流子收集。,7,图,1,：有机太阳能电池的基本过程及损耗机理,8,将光能有效地转化成电能,必须满足以下条件:,(1)在有机太阳能电池的激活区域,光吸收必须尽可能大;,(2)光子被吸收后产生的自由载流子必须足够的多;,(3)产生的载流子小损耗地到达外部电路,有机太阳能电池实际转换效率低的原因：,在光的反射和透射过程,激子产生后的直接复合,在传输 过程中的复合,电荷受限迁移,电荷在界面处的复合等因素都会造成器件效率的降低。,9,三有机太阳能电池材料,有机太阳能电池材料分为：,有机小分子材料,聚合物材料,电极材料,有机小分子及富勒烯族材料具有的优点：,以良好的共扼体系；,高的电子亲和能与离化能；,可见光范围内较大的消光系数；,较强的光稳定性。,常用的有下面几类,:,第一,花类衍生物,第二,酞著,(PC),类衍生物,第三，富勒烯衍生物,10,常用有机小分子材料结构式：,11,聚合物太阳能电池材料特点：,具有,-,共辘体系,存在较宽的和,能带,;,可通过掺杂或化学分子修饰来调整材料的电导性,使其带隙降低,;,可有效地吸收太阳光,;,具有可弯曲性,易加工成型,不易结晶,;,具有优良的机械性能和良好的成膜性。,典型的聚合物太阳能电池材料有下面几类,:,第一,聚唆吩,(RAT),衍生物,第二类,聚对苯乙烯,(PPV),衍生物,第三,含有富勒烯的聚合物,12,常用聚合物材料结构式：,13,电极材料,有机光伏器件中最重要的是电极材料的功函数,它能根据半导体材料的,LUMO/OMO,能级和费米能级确定电极是否与电子、空穴,(,价带空穴,导带电子,),形成欧姆接触,而且两种电极材料的功函数的差值较大的话可以增加开路电压。,收集电子的普通电极材料,(,要求功函数值低,),主要有,Al,、,Ca,、,In,、,Ag,等,;,收集空穴的电极材料,(,要求功函数值高,),主要有,Au,、氧化锢锡（,ITO,）,14,四聚合物太阳能电池器件的制备,有机太阳能电池器件的制备工艺主要涉及到薄膜工艺和薄膜处理技术,下面是制备有机太阳能电池器件的简单工艺流程,:,ITO,玻璃的清洗及预理,;,PEDOT:PSS,的旋涂、干燥、退火,;,有机功能层的旋涂,;,有机修饰层的蒸镀,;,金属电极的蒸镀。,15,ITO,玻璃的清洗及预理,有机太阳能电池所用的基片为镀有均匀,ITO,膜的玻璃衬底,影响因素：,ITO,与有机功能层间的界面对器件光伏性能,的影响至关重要；,基片表面的平整度和清洁度对其后有机材料,的成膜性影响很大；,不洁的表面会引入势垒和杂质能级,降低器,件的稳定性。,在基片使用之前,必须对其进行彻底清洗。,清除基片表面污染的方法通常有,:,化学清洗法,超声波清洗法,真空烘烤法和,离子轰击法,16,处理方法：,将光刻好的,ITO,衬底放在丙酮中浸泡,3,至,5,小时,其间用超声反复超声清洗去除杂质,;,用去离子水将丙酮冲去,用脱脂棉蘸取清洗剂,酒精等有机溶剂反复擦洗,以清除表面的油污、脂肪等有机杂质,每擦洗一次都要用去离子水冲洗干净,;,在去离子水中再次超声清洗,“,把,ITO,衬底用去离子水超声处理数次以后,用从气吹干,这样可以减少空气中灰尘和杂质对,ITO,表面的影响,将干燥的,ITO,基片用臭氧处理,5,一,10,分钟,通过此方法来提高,ITO,的功函数,同时,在实验中发现,用臭氧处理可以提高,PEDOT:PS,在,ITO,上的成膜性。,17,（,2,）,PEDOT:PSS,的旋涂、干燥及退火,在,1500,转,/,分的转速下,将,PEDOT:PSS,的水溶液滴附在,ITO,基片上形成均匀的薄膜。匀胶后用台阶仪测定厚度并观察表面,以确定得到需要的厚度和保证薄膜的平整性。成膜后,将其放在在真空烘箱中在,80,的温度下干燥,10min,去除薄膜中的水分和其它溶剂,然后,将温度升高至,150,热处理,IOmin,然后进行退火处理,以增加,PEDOT:PSS,薄膜的平整性和致密性。,(3),小分子材料薄膜的制备,通常采用真空热蒸发的方法制备有机小分子薄膜。把要蒸镀的有机小分子材料放入真空腔内的蒸发增祸中,处理好的样品片放在柑祸正上方的样品架上,然后对腔体抽真空,当真空度达到,1,护帕后,开始蒸镀有机小分子材料。在蒸镀过程中,衬底保持室温,有机薄膜的厚度和蒸发速率由一台石英振荡测厚仪监测,“,为避免薄膜的质量对器件性能的影响,蒸镀有机材料的过程中,要保证蒸发速率保持恒定,薄膜均匀生长,同时保持样品架匀速转动,保证膜的厚度均匀。,18,（,4,）聚合物材料薄膜的制备,首先选择用氯苯作为溶剂来溶解聚合物,配成溶液,;,然后把匀胶机转速控制在,1000,一,3000,转,/,分钟范围内，将溶液旋涂在已经处理好的,ITO,玻璃片上得到所需要的聚合物薄膜。,（,5,）金属电极的制备,金属电极是在真空镀膜机内高温蒸镀。为了得到连续的高质量的金属薄膜,腔体压强一般低于,10,一,3Pa,膜厚一般都控制在,100nm,以上,这样才能保证得到高质量的金属电极,保证金属电极具有良好的导电性。,19,五. 展 望,目前,本体异质结型聚合物太阳能电池成为这一领域发展的典型,而给体材料的选取更是重中之重。多数共轭聚合物适合作为给体材料,通过一系列的有效修饰,可构造出性能优越的聚合物太阳能电池器件。在深入研究共轭聚合物的光电特性,提高光电转换效率,促使聚合物太阳能电池工业化的同时,拓宽给体材料的选取范围,研究合成出更多具有匹配能级和较窄带隙的共轭聚合物给体材料。随着器件性能日益提高,优化器件结构,改善材料性质以提高聚合物有机太阳能电池的综合性能,将成为今后聚合物太阳能电池研究的发展趋势。,20,谢 谢,大 家,21,