有机太阳能电池太阳能PPT

彖广华提纲*太阳能电池的定义太阳能电池的种类*有机太阳能电池简介有机太阳能电池的优势和不足*有机太阳能电池的发展现状 *有机太阳能电池的发展前景太阳能电池的定义太阳能电池是太阳能光伏发电的基础和 核心，是一种利用光生伏打效应把光能转 变为电能的器件。用适当的光照在上边之 后器件两端会产生电动势。典型的太阳电池是一个pn结半导体二极管。 pn结的形成过程光生载流子一电子/空穴对的产生 “光生电压”及“光生电流”的产生“卉牛载流辛”的产牛 光子把电子从价带（束缚）激发到导带（自 由），并在价带内留下个/空穴（自由）一 产生了自由电了一空穴对“光生电压”的产生自由电了和空穴扩散进入p-n结，n-p 结作用下，分别在n区和P区形成电了 和空穴的积累材料分类硅太阳能无机化合賜半导体太阳能（硫化镉-硫化亚铜, 冲化碌等）敛化纳采晶太阳能（染料敛化太阳能） 机化合賜太阳能以欽菁等等为集体材料制 成的太阳能（小分子有机物太阳能） 塑料丈阳能（高分子多聚賜太阳能）传统（小:;笃豐卜分孑,I 的（产生的是料，多聚掰有机太阳能电池简介广泛的讲有机太阳能电池主要是利用 有机小分子或有机高聚物来直接或间接将 太阳能转变为电能的器件。有机太阳能电池发展简史有机太阳能电池是一种正在进行研究 的新型电池。肴机太阳能电池这个概念貌 似很新，但其实它的历史也不短一一跟硅 基太阳能电池的历史差不多。第一个有机光电转化器件是由Kearns 和Calvin在1958年制备的，其主要材料为 镁駄菁(MgPc)染料，染料层夹在两个功函 数不同的电极之间。在那个器件上，他们 观测到了200 mV的开路电压，光电转化效 率低得让人都不好意思提。1986年，柯达公司的邓青云博士.光电转化 效率达到1 %左右。时至今日这种双层膜异质结的 结构仍然是有机太阳能电池研究的重点之一。1992年，土耳其人Sariciftci发现，激发态的 电子能极快地从有机半导体分子注入到C60分子 而反向的过程却要慢得多1993年,Sariciftci在此 发现的基础上制成PPV/C60双层膜异质结太阳能 电池。此后，以C60为电子受体的双层膜异质结 型太阳能电池层出不穷。研究人员在此类太阳能电池的基础上又提出 了一个重要的概念：混合异质结（体异质结）工作原理和影响因素光子捕获吸收能量传输转移 载流子产生 载流子收集能量传输及影响因素/ * Jr y /” / ” *x z- ./ / f ，#,/ z-/,/ /#”， /，,/” f .，/*/.f*a r #- J* y / , Z/八/,，/f”Z，z/ Z/ .激子器件中由于产生的激子必须扩散到 分离点才会变为自由载流子。激发态寿命 迁移率 界面能级特性光化学和光物理过程分子內能量传谨转向反应中心三第一三线态热窕噹热能第二单线态第一单线态次腋eu 089孕彗s 0Z9懂 eUOE 寸LF./八 J /、/”/fz* X/*_ z /* /激发态的能量转移:D*+AD+A*偶极-偶极能量转移（foster能量转移）D*A*电子交换能量转移（dexter能量转移）D*ADA*光致电子转移：/ S/、D*+AD+AD*AA-D+D+A*D+A-A*激子太阳能器件就是基于不同材料之间的能量和电 子转移来实现太阳能到电能的转换的。ITO 电极给体受休訓生寵規善器件基本结构：glass却 eV 23 eV45 eV-3.0 eV4.2 eV5.2 eV J -58 eV 57 eVITO其他常见结构：(a)(b)Aln-dopcdC60blend ZnPc;C60p-dopedMqO-TPDn-dopcdC60blend ZnPc:C60p-dopedMeO-TPDITOAu clustersingle PINAlC6015 nmZnPc：C60PCBM P3HTPEDOTjPSS ITO30 nm10 nm10 nm150 nmGlass目前效率比较高的两种电池所用的结构:4.8 eV5.0 eVPCPDTBTP3HTPGBMPCnBMP3HT:PCBMP3HT!PCjoBM PEDOTiPSSPCPOTBT：PCBM PEDOT:PSS3.5 &V4.3 eV4.9 eV6.1 eV4.4 eV5,0 eV32艸4.3 eV5.1 V6J eV4.4 eV 4.3 eV8.1 eV8.1 eVP3HT：PCPDTBT：ITO PEDOT pcbm Q PEDOT p%B 林 TIOM AlFig“ 1. (A) Molecular structures of the active materials: PCPDTBTr P3HTr PCBMr and PC7DBM. (B) The device structure (right) and TEM cross-sectional image (left) of the polymer tandem solar cell Scale bars, 100 nm (lower image) and 20 nm (upper image). ITOr indium tin oxide. (0 Energy-level diagram showing the HOMO and LUMO energies of each of the component materials.2007science发表的，是半时的世界记录6.5%PCDTBT3.6 eV47 eVPEDQTP5,4.3 eV4.3 eV5.0 eV5.5 eV6.0 eVPC8.0 eV2009年4月26口nature photonics上的高效单结电池分类有机太阳能按j 下几种类型。有机肖特基有机异质结 有机体异质结 染料敏化瑕结构和机理大致分为以(a) Schottky(b) HeterojunctionCathoden-type organicp-type organicAnode染料敏化太阳能体异质结太阳能电 池内部结构器件结构 退火工艺 成膜工艺新分子的采用和分子改造 载流子传输层电极的改进结构的改进肖特基异质结体异质结改进体异质结 粒子阻挡层、复合层MaterialsDeviceJsc (niA/cm2)Me-PTCDI./H2PcBilayer0.94Me-PTCDI./H2PcTrilaver2.14PTCBI/CuPcBilaver1.61PTCBI/CuPcTrilayer2.56roc (V) Fill factor (%) 呢(%)0.54480.29().51480.630.53420.430.57250.44ITOCuPcPTCBIBCPA930(EO/E) A-一 suopcajmo20W50-oNo treatment FF=0.36O2 treatment FF=0.41Ar treatment FF=0.49-10-0.4-0.20.00.20.4Voltage VJ0.60.830Figure 4.14 AKcharacteristics of ITO/PEDO r：PSS：(5 nm CuPc)(20 nin)C60.t 10 nni) BCP Al devices under AM 1.5 illuminaiion at lOOmW/cm2. Filled squares: unireaied PEDOT:PSS film: open squares: PEDOTTSS film Treated by oxygen plasma: open circles: PEDOT:PSS film trialed bv Ar plasma. Inset: Dependence of 3讥 on thickness of BCP laver. (From Peumans. P.;退火工艺退火的应用允许材料进行重新的组织形成一定的晶态和良好的双联通结构，进而改善迁移率, 改进器件性能。温度 时间影响：短路电流，填充因子（串联，并联电阻）， 开路电压，响应波段。成膜工艺有机器件一般采用真空蒸镀的方式来沉积薄膜, 当然对于大分子最常用的是旋涂，溅射由于粒子 能量较大不宜用来直接在有机物上镀膜。成分比例厚度溶剂影响：短路电流，开路电压，填充因子Distance (um)Figure 4.18. AFM images showing the surface morphology M D(l :4 by ut.) blend films vvitli a thickness of approximately 100 nm and the corresponding cross-sections, (a I Film spin-coaled from a loluenesoluiion.(b) Film spin-coaled from achlorobenzenesolmion.Distance um)Eu)26011 aoeljnsFigure 5. AFM images in tapping mode (phase) of the P3HT:PCBM absorber surface (a), (c) as well as of the aluminium clccti odc (b), (d) for a PC13M concentration of 50% and 75%,新分子的采用和分子改造不同物质的特性不同因而对器件的影响是很 大的，目前来看最有希望的便是富勒烯衍生物作 为受体的电池，当然人们还在需求新的途径。改造富勒烯系列分子液晶分子（自组织）双区分子的合成（自组织，引入C60）这种工作对性能的影响是源于物质本性的。MonomerEnd-capping reactionConjugatedMacroinitiatorRod-coil block coploymerFigure 18.2. Macroiniliaior approach to the controlled radical polymerization of a rod-coil polymer.Conjugatedpolymer syn thesisFigure 18.4. Synthesis of a PPV-6-PS or PPV-/?-P(S-.7a/-CX4S) polymer with a TEMPO-ni I400 x 400 nm2400 x 400 nm2载流子传输层载流子传输层有时候也是同时作为作用 层和电极修饰层的，他对载流子的收集性 能很重要。激子阻挡层(BCP) , /zzz z .,z*J.*/,g / z / _/ V*”, Z Z Z Z -*”， d #，/1 f fF/“/-*/N*/,/LiF PEDOT： PSS碳纳米管影响：短路电流，填充因子Voltage V电极的改进清洗（HCI等）紫外臭氧处理PEDOT： PSSITO的替代（PEDOT： PSS、碳纳米管）LiF影响：短路电流，填充因子(a)(C)80.040.00.0D.2A120.0200.0150.0100.050.00.0)4D.80608 gm40.020.00.0(b)(d)A60.0Figure 20.4. AFl images of ITO substrates: (a) unireaied: (b) UV ozone treated; (c) UV ozone and HC1 treated： (d) mechanical and UV ozone and HC1 ireaied. (From A. B. DjuriSki.160.0120.080.040.00.0020.40.60.8 “e02040608 pmTable 20.1. ITO parameters for different surface treaiments、 Ars亡RgRmsITO treatment(eV) (IO* * cm2) (cnr/V s) (1() Hall roughness (nm)Untreated0.5414.38.021.28UV ozone0.75L486.07.031J0UV 020 ne + HC10.500.7311.07.762.63Mechanical UV ozone HC1().190.8510.07.371.06有机太阳能电池的优点和不足有机太阳能电池作为一种新型的电池， 以其独有的特点，不断的吸引着更多的人 投入到这个领域的研究和开发中来。其发 展速度之快也得益于其独有的优点和特性。 化合物分子可设计性 材料轻便 制造加工成本低 样式多样化 便于制造大面积柔性电池当然目前来看有机太阳能器件仍有不少缺点 材料迁移率低，高体电阻，从而导致能量 转换率低。材料稳定，耐久性不够好，电池寿命短。当然从目前世界上有机太阳能研究的状 况来看虽然存在这些缺点，但是相对于制 造无机电池的高昂代价来讲，无机太阳能 的研究仍旧有很强大的生命力。有机太阳能的研究现状当电力、煤炭、石油等不可再生能源频 频告急，能源问题日益成为制约国际社会 经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始 开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。 而太阳能电池便是一个很好的应用。无机：这种无机原料太阳能电池造价昂贵, 因而与其他一些能源发电比起来缺乏竞争 力。（纵然如此研究者也不在少数）有机：未来太阳能电池的主流发展方向强调的是更轻便、更灵活，最重要的是，因而目前有机太阳能的现状是：研究机 构纷纷投身研究有机太阳能，企业也纷纷涉 足有机太阳能。下面介绍的是近两年研究机构和企业的动 态和研究现状：2007ScienceAlan J. Heeger等“使有机薄 膜太阳能电池的单元转换效率达到了全球最高 6.5%” o结构：级朕结构关键：在两个太阳能色池单元之间夹了一层 TiOxI氧化賜材料)p型：PEDOT:PSS,n型：PCBM与PCPDTBT的混合材料(750 800nm)PC70BM与P3HT的混合材料(500nm)PCBMPCPDTBTP3HT_ P3HT;PC4Al*T:PSSAl no.P3HT!PCjoBM PEDOTiPSSPCPOTBT:PCBM PEDOT:PSSPCJ0BMc3.5 &V4.4 eV3.2 eV4.4 eV4.3 eV4.3 eV4.3 CV4.S eV5.0 eV4.9 eV5.0 eV5.1 V6.1 eV6.1 eV8.1 eV8.1 eVITO PEDOTP?T，P3HT：no. PEDOT P%BM HO,AlFig, 1. (A) Molecular structures of the active materials: PCPDTBTr P3HTr PCBMr and PC7DBM. (B) The device structure (right) and TEM cross-sectional image (left) of the polymer tandem solar cell Scale bars, 100 nm (lower image) and 20 nm (upper image). ITOr indium tin oxide. (C) Energy-level diagram showing the HOMO and LUMO energies of each of the component materials.2009Nature Photonics韩国光州科学技 术学晓（GIST）宣布，将单结有机薄膜太阳能电池 的单元转换效率提壽到了6.1%。（2007级朕6.5 %。）结构：单结、Bulk Hetero结构P型：PCDTBTn型：PC70BM特点：开放电压较丸（425575nm肘，内部 量子效率壽达90%。）1 QJ cnTiOxo co益 9cn18-lsdOK-014 寸三菱化学开发出了4.5%的转换效率的色池。P型：P3HTN型：富勒缔衍生物使模块转换效率为15%的有机太阳能赳池卖现卖用)成?力口 30小細开出M008年3貝肚却能电也。小贄53爲嘲机固、詢瞬十心严邸彎漳煤沁朋枫翳%:蛊软从花X)”6 肿 CDE(E“的讣卯F壮总如。护Konarka科技的有机薄膜太阳能电池Power Plastic“（Konarka在其所在地）美国波士顿的屋顶上安裝了基本扌目同 的太阳能电池，1年后其性能几乎没有下吟。多数看法认 为有机太阳能电池的封裝必须使用玻璃或非常昂贵的薄膜, 与此扌目反，我们利用市隽廉价材料制造.出的余壮阳能勒 池模块却具有如此之壽的耐久性，是了不起的成果”(a)G24i正在运行中的产生线(b)科纳卡技术的卷对卷式 印刷机英国风险(G24i企业G24 Innovations )已从2007年10 月起采用卷对卷式印刷技术以25MW/年的规模开始 量产柔性色素増感型太阳能赳池模块。产品已于 2008年上市。充赳器的价格为2040美元。东M4.2009年3月，通过新开发卩型（施主）甫机 半导体材料，使转换效率达到了 5.5%。该p型有机半导体材料的要占为两个方面:通过加丸与n型（受主）有机半导体材料的能级（空 间色住）差，卖现了约IV的當开路色压；（2）通过涂覆与n型半导体材料的分散混合液形成pn 结对，能够扩丸单住袜积中pn结界面的蔻面积。该 公司将力争在2015年前使转换效率达到7%。犬可本印刷于2009年6月宣布，5cm见方单元的 能量转换效率达到了4%以上特点：安裝輔助尅极使疽机薄膜丈阳能勒池。目标：2012年度开始样洗供货甫机薄膜太阳能色 池，2015年度之前达到卖用水平。此外还将研克基 于PET薄膜底板的卷对卷工艺的量产技术O少性制- EX对用的V卷利用- -P用了利- -的利示以- wii IT展o M上模的一 -ilw池纲 于展电孑21池能勒 年赳阳为-09能丈作 一 一20卫膜纸一在仏藩1 一术际机中一 一技国桁包一 一卡届种皮一 一 纳二多于一- 科第的裝一 09逡封;20闌LABulk HeterojunctionP3HTSolar cells will soon be coated on structures and everyday objectsPatent pending solar cell integrated portable electronic devicesInvestigating transparent solar cells with University of Washingtonhv Transparent EleetrodeConceptual advantage of nanostructured hard templates世” Ordered Bulk Heterojunction 一Ldr:UrdrcCeOrganic Photovoltaic for Low-costResearch Intel.讼皿窗叭 hCheap, thin, flexible solar cells for ubiquitous power generation2009年6月18町英特余研 发部门成果展示会n型：富勒聲衍生炀p型：P3HT结构：体异质结 特点：电极制成了杭 吿状，色子JL易流动的， 提當体异质结构适规则性 控制效率：2mm2面积效率 可达到6%,（此次1.8%2 %）目标：开发采用柔性 底板的技术2 G八/、：*、HP* /*&g._q：;ATc.i-*.1徳国Heliatek GmbH宣布，其有机薄膜 太阳能电池的转换效率达到了6.07%。结构：低分子材料的串朕结构。%。（该公司将在2009年9月2125可于徳国汉堡举办的太阳能勒池技术国际会议）2009年12月2目solarmer宣布，有机太阳能 勒池转换率己经达到7.9%,为世界最富。该公司10月份己经达到7.6%,之裔其在 naturephotonics2009年10月的一篇丈章上 提到的效率为6.77%有机太阳能电池的发展前景当大多数新型太阳能电池还处在实验阶 段，其能效却已被不断夸大的时候，有机 材料太阳能电池能够降低发电成本的潜能 已经被实实在在地发掘并开始为人们所用， 因为这些有机材料的半导体可以被大量生 产并灵活运用于各个领域。如今，世界各地的科学家和工程师们 都在努力发展这一技术以更早达到商业化 的目标。全球太阳能电池产业1994-2004年10 年里增长了也倍，太阳能电池生产主要分 布在日本、欧洲和美国。2006年全球太阳能电池安装规模已达 1744MW,较2005年成长直，整个市场 产值已正式突破100亿美元大关。2007年全球太阳能电池产量达到 3436MW,较2006年增长了髓中国对太阳能电池的研究起步于1958 年，20世纪80年代末期，国内先后引进了 多条太阳能电池生产线，使中国太阳能电 池生产能力由原来的3个小厂的几百kW 下子提升至04个厂的4.5MW,这种产能一直 持续到2002年，产量则只有2MW左右。2002年后,欧洲市场特别是德国市场的急剧放大和 太阳能电力有限公 司的横空出世及超常规发展给中国光伏产 业带来了前所未有的发展机遇和示范效应太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源 消费的重要席位。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将 占到臺以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供 应中的占比也将达到画以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的或 以上, 太阳能光伏发电将占总电力的园 以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到 以上，太阳能发电将占到鹼以上。事实上，人们已经用上太阳能，不过其成本大约是传统电力的二倍。前者的成本是每千瓦1822美分，而传统电力的 价格仅为每千瓦510美分。这说明，转换 率不是最重要的，低成本的获取能源才是 大家的目的。随着技术的进步，例如利用“塑料”太阳能电池来取代比较昂贵的硅 太阳能电池，美国能源部认为太阳能成本 将在几年内降至常规电力的水平由此可以看出，太阳能电池市场前景广 阔。谢谢