《有机太阳能电池》PPT课件.ppt

有机太阳能电池简介,报告人：刘秀勇学号：09721388,定义：有机太阳能电池，就是由有机材料构成核心部分，基于有机半导体的光生伏特效应，通过有机材料吸收光子从而实现光电转换的太阳能电池。,发展历程和现状：,1958：第一个有机光电转化器件由Kearns和Calvin制备成功，其主要材料为镁酞菁（MgPc），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200mV的开路电压。,1986：华人邓青云博士，改进了器件核心结构，由四羧基苝的一种衍生物（PV）和铜酞菁（CuPc）组成的双层膜。他制备的太阳能电池，光电转化效率达到1左右。,1.有机太阳能电池的简介：,之后，太阳能电池的光电转换效率提高到5.4%左右。,今年7月，由德国的Heliatek公司，巴斯夫公司和德累斯顿大学应用研究所光物理联合研发的叠层有机太阳能电池转换效率打破了此前5.4%的世界记录，将记录提高为5.9%。并且该研究项目研究工作将持续到2011年6月。,2000年，5.R.Forrest研究小组通过在有机小分子制备的双层结构太阳能电池器件的有机层和金属阴极之间插入BCP(Bathocuproine)薄膜层，使得器件的光电转换效率提高到了2.4%，并且改善了器件的伏安特性曲线，提高了器件的稳定性。,2005年，A.J.Heeger等人采用在制备电极后再对器件进行热退火处理的方法有效地提高了电池的能量转换效率，使其光电转换效率达到了5%。,有机太阳能电池中的基本物理过程图,光的吸收和激子的产生：光被有机材料吸收后激发有机分子从而产生激子。,激子的扩散和解离：通常激子可以被电场、杂质和适当的界面所解离。,载流子的收集：由于有机太阳能电池器件的厚度很薄，两个电极的功函数差值建立起来的电场较强，可以较为有效地分离自由载流子,形成回路,2.1有机太阳能电池中的基本物理过程：,2.有机太阳能电池机理介绍,2.2衡量有机太阳能电池的光电转换效率的基本参数,短路电流（ISC）,开路电压（VOC）,填充因子（FF）,外量子效率（EQE）/光电转换效率（IPCE）,能量转换效率（）,3.有机太阳能电池的结构,3.1肖特基型有机太阳能电池：,首例有机太阳能电池器件结构，基本的物理过程为:有机半导体内的电子在太阳光照射下被从HOMO能级激发到LUMO能级，产生电子一空穴对。电子被低功函数的电极提取，空穴则被来自高功函数电极的电子填充，从而形成光电流。,光激发形成的激子，只有在肖特基结的扩散层内，依靠节区的电场作用才能得到分离。而其它位置上形成的激子，必须先移动到扩散层内才可能形成对光电流的贡献。但是有机分子材料内激子的迁移距离相当有限的，通常小于10nm。所以大多数激子在分离成电子和空穴之前就复合掉了，导致了其光电转换效率较低。,3.2.双层结构有机太阳能电池：,基本物理过程为:光照射到作为给体的有机半导体材料上，产生激子，然后激子在给体和受体的界面解离，接着电子注入到作为受体的有机半导体材料中，空穴和电子得到分离。在这种体系中，电子给体为p型，电子受体则为n型，从而空穴和电子分别传输到两个电极上，形成光电流。与前述“肖特基型”电池相比，此种结构的特点在于引入了电荷分离的机制，使得在有机材料中产生的激子，可以较容易地在两种材料的界面处解离以实现电荷分离，极大的提高了激子解离的效率，从而获得电池器件效率的增大。,3.3体异质结型有机太阳能电池,利用共扼聚合物C60体系的光诱导电子转移理论,将共扼聚合物MEH一PPv和富勒烯(C00)的衍生物PCBM按一定的比例掺杂制成体异质结结构，由于两种材料互相掺杂，掺杂尺寸在几个至几十纳米之间，这样，在掺杂层内任何一处形成的激子都可以在其扩散长度之内到达界面处分离形成电荷，因而可以获得极高的激子分离效率。,3.4叠层结构太阳能电池,单个太阳能电池对于太阳光的吸收总是有一定范围的，因为不论是哪一种太阳能电池材料，由于其禁带宽度的限制，使得材料都不可能在很宽的光谱范围内有良好的光谱响应，这种结构将两个或三个不同带隙宽度的单结电池串联起来，将太阳光谱的各个波段更有效地利用，从而提高了光电转换效率。,4.有机太阳能电池常用材料,1.分子量的大小分类:,2简单的介绍常用的有机材料的结构及光电特性:,有机小分子材料,有机聚合物材料,小分子材料：是一些含共轭体系的染料分子，它们能够很好地吸收可见光从而表现出较好的光电转换特性，具有化合物结构可设计性、材质较轻、生产成本低、加工性能好、便于制备大面积太阳能电池等优点。但由于有机小分子材料一般溶解性较差，因而在有机太阳能电池中一般采用蒸镀的方法来制备小分子薄膜层。有机太阳能电池器件中常用的小分子材料主要有酞著、叶琳、并五苯和富勒烯等,聚合物材料：太阳能电池上应用的聚合物首先必须是导电高分子，并且聚合物的微观结构和宏观结构都对聚合物材料的光电特性有较大影响。导电性聚合物的分子结构特征是含有大的电子共扼体系，而聚合物材料的分子量影响着共扼体系的程度。材料的凝聚状态(非晶和结晶)、结晶度、晶面取向和结晶形态都会对器件光电流的大小有影响。主要的聚合物材料有聚对苯乙烯(PPv)、聚苯胺(队Nl)和聚唆吩(PTh)以及它们的衍生物等。,电极材料：为了提高太阳能电池器件中电子和空穴的输出效率，要求选用功函数尽可能低的材料作为阴极和功函数尽可能高的材料作为阳极。电极材料的选取对于确定电极与有机材料之间是否形成欧姆接触或整流接触有较大影响。,5.有机太阳能电池前景,虽然有机太阳能电池的供电效率不如传统电池的效率高，但是他的造价低廉而且还有多样性的用途，所以它的前景一片光明！具有以下优点：,有机材料合成成本低、功能易于调制、柔韧性及成膜性都较好;.,有机太阳能电池加工过程相对简单,可低温操作,器件制作成本也较低.除此之外,有机太阳能电池的潜在优势还包括：可实现大面积制造、可使用柔性衬底、环境友好、轻便易携等.因而有望在手表、便携式计算器、半透光式充电器、玩具、柔性可卷曲系统等体系中发挥供电作用。,蔬菜工厂的柔性有机太阳能电池，节能环保。主要表现在削减植物工厂的电力成本及CO2排放量。,日本产业技术综合研究所太阳光发电研究中心、三菱商事和TOKKI联合研制的观赏植物式有机薄膜太阳能电池。该电池由塑料底板、酞菁层、富勒烯层等层叠压制而成。每个叶片包含8个约7.5cm2的串联太阳能电池单元，形成了约60cm2的太阳能电池模块。,有机太阳能电池技术可为小型移动设备(例如MP3播放器)供电,有机薄膜太阳能电池模块,利用有机薄膜太阳能电池模块试制的皮包,半导体表面和前电极的光反射;禁带越宽没有吸收的光传播越大;由高能光子在导带和价带中产生的电子和空穴的能量驱散;光电子和光空穴在光电池的光照面和体内的复合;有机染料的高电阻和低的载流子迁移率。,决定光电效率的基本损失机制主要有以下几方面：,6.存在及要解决的问题,有机太阳能电池需要解决的问题,有机太阳能电池要想实现商业化，关键问题是电池的各种性能参数尤其是总光电转换效率的提高，以下是几个关键的方面：电池的运作机理：目前机理研究没有重大的新突破，这方面是首要问题。电池的制作材料：寻找合适的电子和空穴传输材料，保证电子空穴对能够有效地分离和传导，降低电子空穴对传输过程中的复合和耗散几率是材料选择的一个重要条件。制作工艺：也是提高电池性能参数的一个重要方面，如对电极的表面修饰，如何让电极表面吸附更多的染料，或者说如何让染料和电极进行最优的接触，最大限度的减少电子和空穴在传输过程中的损耗等。此外，电池的稳定性与寿命也是不容忽视的问题,谢谢！,