有機太陽能電池研究現(xiàn)狀與進展

1、有機太陽能電池研究現(xiàn)狀與進展有機太陽能電池研究現(xiàn)狀與進展文子桃文子桃1013122110131221中國石油大學(xué)（華東）資源中國石油大學(xué)（華東）資源10041004班摘要摘要用有機半導(dǎo)體制作太陽能電池，工藝簡單，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。文章介紹了有機太陽能電池基本性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、原理；從器件結(jié)構(gòu)、材料選擇、工藝技術(shù)等方面時近兒年來研究的幾種有機大陽能電池現(xiàn)狀和進展做了系統(tǒng)綜述，并且分析了有機太陽能電池的缺陷和產(chǎn)

2、生原因，以及它的未來發(fā)展趨勢也進行了簡要描述。關(guān)鍵字關(guān)鍵字有機太陽能電池性質(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年貝爾實驗室Chapin.D.M等人[1]制作了光電轉(zhuǎn)化效率達6%的太陽能電池標(biāo)志著商業(yè)化太陽能電池研究的開始。到20世紀(jì)70年代用于衛(wèi)星的半導(dǎo)體硅太陽能的光電轉(zhuǎn)化效率已達到15%～20%。但硅系列太陽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)體材料的太陽能電池因存在材料來

3、源及工藝等問題也同樣難以得到推廣。而有機太陽能電池以其材料來源廣泛、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)勢顯示了其巨大開發(fā)潛力成為近十幾年來國內(nèi)外各高校及科研單位研究的熱點。1906年和1913年P(guān)ochettino[2]和Volmer分別報道了有機固態(tài)蒽晶體的光導(dǎo)效應(yīng)成為有機太陽能電池研究的標(biāo)志性開端并為以后的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。但自第1個有機太陽能電池問世以來其轉(zhuǎn)化效率一直不高至其最高轉(zhuǎn)化效率也只有10%左右與無機太陽能電

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

5、以及無機半導(dǎo)體或金屬的導(dǎo)電性。因而具有巨大的潛在商業(yè)應(yīng)用價值，與硅材料太陽能電池相比較，有機高分子太陽能電池具有如下優(yōu)點：（1）化學(xué)可變性大，原料來源廣泛[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)可在分子生長方向控制膜的厚度[5]；（4）容易進行物理改性，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)運輸并擴散通過pn結(jié)，并且繼續(xù)朝著相反的方向運輸直到它們到達半導(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而確定。禁帶寬度越大，電子產(chǎn)生的勢能也就越大。這類體系能量的損失來源于缺陷俘獲過程———帶電載流子與中間能態(tài)在半導(dǎo)體缺陷處結(jié)合。四、

7、幾種近年來研究的有機太陽能電池四、幾種近年來研究的有機太陽能電池有機太陽能電池的分類方法較多按照有機半導(dǎo)體層材料的差別可分為3類:質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有機太陽能電池、pn異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有機太陽能電池、pn本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有機太陽能電池。近十幾年來研究較多的還有染料敏化納米晶太陽能電池。4.1單質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有機太陽能電池單質(zhì)結(jié)有機太陽能電池是研究最早的有機太陽能電池。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半導(dǎo)體層。一般常

8、用各種有機光伏材料均可被制成此類有機太陽能電池如酞青類化合(phthalocyanine)卜啉(pphyrin)、青(cyanine)染料、葉綠素、導(dǎo)電聚合物等有機材料。各類有機材料各有其優(yōu)缺點: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)定性同時也是良好的光敏化劑但具有較大的電阻青易于合成、價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)有機太陽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

9、有機層到達高功函電極而產(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)有機太陽能電池的光電轉(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機理認(rèn)為強的取向內(nèi)電場、超薄膜化和分子排列取向化是提高單質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有機太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的重要途徑。近年來人們利用共軛聚合物等導(dǎo)電聚合物作為有機層取得了較大進展。目前實驗室中以聚合物和有機分子材料制造的有機光付電池效率可達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)有機太陽能電池pn異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有機太陽能電池電池結(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)有機太陽能電池較單質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率要高因此成為后來研究的重點。制作此類pn結(jié)電池可選用的有機材料較多。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]。近幾年來用聚合物做傳輸電子