有機太陽能電池.ppt

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1、有機太陽能電池,小組人員： 董紅光、馮增威、郭亞東、黃鋒、任明明、雍華、張一恒、張喜雯,有機太陽能電池簡介 有機太陽能電池工作原理 有機太陽能電池的優(yōu)勢與不足 有機太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀 有機太陽能電池的發(fā)展前景 總結(jié),有機太陽能電池簡介,太陽能的分類,按材料分類 1、硅太陽能 2、無機化合物半導(dǎo)體太陽能(硫化鎘-硫化亞銅，砷化鎵等) 3、敏化納米晶太陽能(染料敏化太陽能) 4、有機化合物太陽能以酞菁等等為集體材料制成的太陽能 (小分子有機物太陽能) 5、塑料太陽能(高分子多聚物太陽能),定義： 有機太陽能電池，就是由有機材料構(gòu)成核心部分，基于有機半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)，通過有機材料吸

2、收光子從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的太陽能電池。 廣泛的講有機太陽能電池主要是利用有機小分子或有機高聚物來直接或間接將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷?發(fā)展簡史,有機太陽能電池是一種正在進行研究的新型電池。有機太陽能電池這個概念貌似很新，但其實它的歷史也不短跟硅基太陽能電池的歷史差不多 。,1958：第一個有機光電轉(zhuǎn)化器件由Kearns和Calvin制備成功，其主要材料為鎂酞菁（MgPc），夾在兩個功函數(shù)不同的電極之間。在那個器件上，他們觀測到了200 mV的開路電壓。 1986：華人鄧青云博士，改進了器件核心結(jié)構(gòu)，由四羧基苝的一種衍生物（PV）和銅酞菁（CuPc）組成的雙層膜。他制備的太陽能電池，光電轉(zhuǎn)化效

3、率達到1左右。 1992年，土耳其人Sariciftci發(fā)現(xiàn)，激發(fā)態(tài)的電子能極快地從有機半導(dǎo)體分子注入到C60分子而反向的過程卻要慢得多1993年，Sariciftci在此發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上制成PPV/C60雙層膜異質(zhì)結(jié)太陽能電池。,2000年，5.R.Forrest研究小組通過在有機小分子制備的雙層結(jié)構(gòu)太陽能電池器件的有機層和金屬陰極之間插入BCP(Bathocuproine)薄膜層，使得器件的光電轉(zhuǎn)換效率提高到了2.4%，并且改善了器件的伏安特性曲線，提高了器件的穩(wěn)定性。 2005年，A.J.Heeger等人采用在制備電極后再對器件進行熱退火處理的方法有效地提高了電池的能量轉(zhuǎn)換效率，使其光電轉(zhuǎn)換

4、效率達到了5%。,有機太陽能電池工作原理,有機太陽能電池中的基本物理過程圖,光的吸收和激子的產(chǎn)生： 光被有機材料吸收后激發(fā)有機分 子從而產(chǎn)生激子。,激子的擴散和解離： 通常激子可以被電場、雜質(zhì)和適 當(dāng)?shù)慕缑嫠怆x。,載流子的收集： 由于有機太陽能電池器件的厚度很薄，兩個電極的功函數(shù)差值建立起來的電場較強，可以較為有效地分離自由載流子。,形成回路,有機太陽能電池中的基本物理過程：,四種結(jié)構(gòu)的有機太陽能電池工作原理,肖特基型 雙層結(jié)構(gòu) 體異質(zhì)結(jié)型 疊層結(jié)構(gòu),肖特基型有機太陽能電池（首 例有機太陽能電池器件結(jié)構(gòu)） ：,基本的物理過程為: 有機半導(dǎo)體內(nèi)的電子在太陽 光照射下被從HOMO能級激發(fā)到

5、LUMO能級，產(chǎn)生電子一空穴對。電子被低功函數(shù)的電極提取，空穴則被來自高功函數(shù)電極的電子填充，從而形成光電流。,光激發(fā)形成的激子，只有在肖特基結(jié)的擴散層內(nèi)，依靠節(jié)區(qū)的電場作用才能得到分離。而其它位置上形成的激子，必須先移動到擴散層內(nèi)才可能形成對光電流的貢獻。但是有機分子材料內(nèi)激子的遷移距離相當(dāng)有限的，通常小于10nm。所以大多數(shù)激子在分離成電子和空穴之前就復(fù)合掉了，導(dǎo)致了其光電轉(zhuǎn)換效率較低。,雙層結(jié)構(gòu)有機太陽能電池：,基本物理過程為: 光照射到作為給體的有機半導(dǎo)體材料上，產(chǎn)生激子，然后激子在給體和受體的界面解離，接著電子注入到作為受體的有機半導(dǎo)體材料中，空穴和電子得到分離。在這種體系中，電子

6、給體為p型，電子受體則為n型，從而空穴和電子分別傳輸?shù)絻蓚€電極上，形成光電流。 與前述“肖特基型”電池相比，此種結(jié)構(gòu)的特點在于引入了電荷分離的機制，使得在有機材料中產(chǎn)生的激子，可以較容易地在兩種材料的界面處解離以實現(xiàn)電荷分離，極大的提高了激子解離的效率，從而獲得電池器件效率的增大。,體異質(zhì)結(jié)型有機太陽能電池：,基本物理過程為: 利用共扼聚合物C60體系的光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移理論,將共扼聚合物MEH一PPv和富勒烯(C00)的衍生物PCBM按一定的比例摻雜制成體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，由于兩種材料互相摻雜，摻雜尺寸在幾個至幾十納米之間，這樣，在摻雜層內(nèi)任何一處形成的激子都可以在其擴散長度之內(nèi)到達界面處分離 形

7、成電荷，因而可以獲得極高的激子分離效率。,疊層結(jié)構(gòu)太陽能電池,基本物理過程為: 單個太陽能電池對于太陽光的吸收總是有一定范圍的，因為不論是哪一種太陽能電池材料，由于其禁帶寬度的限制，使得材料都不可能在很寬的光譜范圍內(nèi) 有良好的光譜響應(yīng)， 這種結(jié)構(gòu)將兩個或三個不同帶隙寬度的單結(jié)電池串聯(lián)起來，將太陽光譜的各個波段更有效地利用，從而提高了光電轉(zhuǎn)換效率。,有機太陽能電池常用材料,1.分子量的大小分類,,2.簡單的介紹常用的有機材料的結(jié)構(gòu)及光電特性:,有機小分子材料,有機聚合物材料,小分子材料： 是一些含共軛體系的染料分子，它們能夠很好地吸收可見光從而表現(xiàn)出較好的光電轉(zhuǎn)換特性，具有化合物結(jié)構(gòu)可設(shè)計

8、性、材質(zhì)較輕、生產(chǎn)成本低、加工性能好、便于制備大面積太陽能電池等優(yōu)點。但由于有機小分子材料一般溶解性較差，因而在有機太陽能電池中一般采用蒸鍍的方法來制備小分子薄膜層。有機太陽能電池器件中常用的小分子材料主要有酞著、葉琳、并五苯和富勒烯等,聚合物材料： 太陽能電池上應(yīng)用的聚合物首先必須是導(dǎo)電高分子，并且聚合物的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)都對聚合物材料的光電特性有較大影響。導(dǎo)電性聚合物的分子結(jié)構(gòu)特征是含有大的電子共扼體系，而聚合物材料的分子量影響著共扼體系的程度。材料的凝聚狀態(tài)(非晶和結(jié)晶)、結(jié)晶度、晶面取向和結(jié)晶形態(tài)都會對器件光電流的大小有影響。主要的聚合物材料有聚對苯乙烯(PPv)、聚苯胺(隊Nl)

9、和聚唆吩(PTh)以及它們的衍生物等。,電極材料： 為了提高太陽能電池器件中電子和空穴的輸出效率，要求選用功函數(shù)盡可能低的材料作為陰極和功函數(shù)盡可能高的材料作為陽極。電極材料的選取對于確定電極與有機材料之間是否形成歐姆接觸或整流接觸有較大影響。,有機太陽能電池的優(yōu)勢與不足,有機太陽能電池作為一種新型的電池，以其獨有的特點，不斷的吸引著更多的人投入到這個領(lǐng)域的研究和開發(fā)中來。其發(fā)展速度之快也得益于其獨有的優(yōu)點和特性。,有機材料合成成本低、功能易于調(diào)制、柔韌性及成膜性都較好; 加工過程相對簡單,可低溫操作,器件制作成本也較低； 可實現(xiàn)大面積制造、可使用柔性襯底、環(huán)境友好、輕便易攜等.,優(yōu)勢,有

10、機薄膜太陽能電池模塊,利用有機薄膜太陽能電池模塊試制的皮包,因為有機太陽能電池有以上的優(yōu)點和特性，因而有望在手表、便攜式計算器、半透光式充電器、玩具、柔性可卷曲系統(tǒng)等體系中發(fā)揮供電作用。,有機太陽能電池技術(shù)可為小型移動設(shè)備(例如MP3播放器)供電,當(dāng)然目前來看有機太陽能器件仍有不少缺點:,材料遷移率低，高體電阻，從而導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換率低。 材料的穩(wěn)定性和耐久性不夠好，電池壽命短。 當(dāng)然從目前世界上有機太陽能研究的狀況來看雖然存在這些缺點，但是相對于制造無機電池的高昂代價來講，有機太陽能的研究仍舊有很強大的生命力。,不足,有機太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀,無機：這種無機原料太陽能電池造價昂貴，因而與其他

11、一些能源發(fā)電比起來缺乏競爭力 。 有機：未來太陽能電池的主流發(fā)展方向強調(diào)的是更輕便、更靈活，最重要的是，更便宜 因而目前 有機太陽能的現(xiàn)狀是：研究機構(gòu)紛紛投身研究有機太陽能，企業(yè)也紛紛涉足有機太陽能。,2007 ScienceAlan J. Heeger等 “使有機薄膜太陽能電池的單元轉(zhuǎn)換效率達到了全球最高6.5”。 結(jié)構(gòu)：級聯(lián)結(jié)構(gòu) 關(guān)鍵：在兩個太陽能電池單元之間夾了一層TiOxI (鈦氧化物材料) p型：PEDOT:PSS， n型：PCBM與PCPDTBT的混合材料(750800nm) PC70BM與P3HT的混合材料(500nm ),大阪大學(xué)(2008年3

12、月2730日)成功開發(fā)出了單元轉(zhuǎn)換效率高達5.3的有機固體太陽能電池。 關(guān)鍵：純度極高的C60(7個九)結(jié)晶實現(xiàn)的(僅通過這兩點便將單元效率由原來的2.5提高到了5.3的全球最高水平) 結(jié)構(gòu)：ITO(透明電極)/H2Pc/i層/C60/NTCDA/Ag(電極) Bulk Hetero結(jié)構(gòu),2009 Nature Photonics韓國光州科學(xué)技術(shù)學(xué)院(GIST)宣布，將單結(jié)有機薄膜太陽能電池的單元轉(zhuǎn)換效率提高到了6.1。(2007級聯(lián)6.5。)結(jié)構(gòu)：單結(jié)、Bulk Hetero結(jié)構(gòu) P型：PCDTBT n型：PC70BM 特點：開放電壓較大(425575nm時

13、，內(nèi)部量子效率高達90。),德國HeliatekGmbH宣布，其有機薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率達到了6.07%。 結(jié)構(gòu)：低分子材料的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。 目標：今后幾年內(nèi)使轉(zhuǎn)換效率達到10。(該公司將在2009年9月2125日于德國漢堡舉辦的太陽能電池技術(shù)國際會議),2009年12月2日solarmer宣布，有機太陽能電池轉(zhuǎn)換率已經(jīng)達到7.9%，為世界最高。 該公司10月份已經(jīng)達到7.6%，之前其在nature photonics2009年10月的一篇文章上提到的效率為6.77%,有機太陽能電池的發(fā)展前景,當(dāng)大多數(shù)新型太陽能電池還處在實驗階段，其能效卻已被不斷夸大的時候，有機材料太陽

14、能電池能夠降低發(fā)電成本的潛能已經(jīng)被實實在在地發(fā)掘并開始為人們所用，因為這些有機材料的半導(dǎo)體可以被大量生產(chǎn)并靈活運用于各個領(lǐng)域。 如今，世界各地的科學(xué)家和工程師們都在努力發(fā)展這一技術(shù)以更早達到商業(yè)化的目標。,技術(shù)前景 ：,（1）提高能量轉(zhuǎn)化率 現(xiàn)今有機太陽能的轉(zhuǎn)化率太低，只能驅(qū)動耗電極少的用電器工作。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家必將研制出轉(zhuǎn)化率更高的電池。屆時，手機、MP3 等常用工具將擺脫充電麻煩的問題，使人們的生活更加富有機動性。 提高能量轉(zhuǎn)化率可以在以下幾方面進行改進： 優(yōu)化表面結(jié)構(gòu)，將電池表面反射的光重新聚集進入電池； 使用反射鍍膜復(fù)活光子和制造多結(jié)多禁帶結(jié)構(gòu)電池捕獲寬

15、波長的光子從而獲得合理的光子吸收率； 使用低電阻率和小覆蓋面的金屬作為前電極以獲得最大填充因子和 較大光電流； 制造由納米級材料組成的光電池。納米材料是由超細微粒組成的，其邊界區(qū)的體積大約是材料總體積的 50%，這樣的結(jié)構(gòu)可能會帶來神奇性能。,（2）便攜、可折疊 與 Si 基太陽能電池相比，有機太陽能電池的一大特點就是質(zhì)量輕，柔軟而可折疊。眾所周知，太陽能電池產(chǎn)生的功率與其受垂直光照的面積成正比。如果將有機太陽能電池設(shè)計成輕薄柔軟的材料，做成類似陽傘的形狀，既減小了體積，方便了攜帶，又可在有陽光的時候隨時充電，實用性很強。 （3）仿生學(xué)應(yīng)用 自然界有很多能夠高效轉(zhuǎn)化太陽能的

16、酶。以光合作用的第一步光反應(yīng)為例，通過原初反應(yīng)使光系統(tǒng)的反應(yīng)中心發(fā)生電荷分離，產(chǎn)生的高能電子推動著光合膜上的電子傳遞，這種方法的光能轉(zhuǎn)化率可以達到 42%之多。隨著新型仿生技術(shù)的發(fā)展，達到，甚至超越這個數(shù)值是很可能的。,（4）兩種模型猜想 層狀模型 采用透光性能較好的材料作為極板材料，采取多層疊加的方式，每一層使用不同的光敏材料以吸收不同波長的光，從而達到盡可能多的吸收太陽光輻射的目的。這樣做優(yōu)點有二： a有針對性的吸收特定長度的光更加便于控制，與傳統(tǒng)的廣譜吸光相比轉(zhuǎn)化率更高。 b.光線可以在層間發(fā)生反射，有效地降低了光能向外界的耗散。 針狀模型。 將有機太陽能電池做成柔軟的針

17、狀，并相對緊密的排列，增加其比表面積。光線照射在上面時，通過在針間的無數(shù)次反射減少光能向外界的耗散。由于硅基太陽能電池多為剛性材料，質(zhì)地脆而硬，制作上述電池有很大危險，因此選用有機太陽能電池?zé)o疑為更好的選擇。,應(yīng)用前景：,由于太陽能雖然總量很大，但受場地及成本等因素限制不可能達到很高的功率，難以滿足高耗電場所的電力需求，而且太陽能受天氣情況等因素影響較大，并不十分穩(wěn)定，所以利用它做主要能源是不現(xiàn)實的，但是太陽能電池能作為重要的輔助能源。 工廠、學(xué)校的等大型耗電場所則依靠水利、風(fēng)力發(fā)電、核能發(fā)電等途徑獲得電力。這種多層次的供電體系既可以保證社會正常運轉(zhuǎn)，也充分利用了清潔能源。,產(chǎn)業(yè)化前景：,

18、尚德電力首席執(zhí)行官施正榮在達沃斯宣布，到2015年，世界上半數(shù)國家的太陽能光伏發(fā)電不需要補貼也都能夠同傳統(tǒng)能源相競爭。目前，在印度、夏威夷、意大利和西班牙，太陽能光伏已經(jīng)能夠與化石燃料一較高下。 美國提出“太陽能先導(dǎo)計劃”意在降低太陽能光伏發(fā)電的成本，使其2015年達到商業(yè)化競爭的水平；日本也提出了在2020年達到28GW的光伏發(fā)電總量；歐洲光伏協(xié)會提出了“setfor2020”規(guī)劃，規(guī)劃在2020年讓光伏發(fā)電做到商業(yè)化競爭。在發(fā)展低碳經(jīng)濟的大背景下，各國政府對光伏發(fā)電的認可度逐漸提高。,國家能源局正式印發(fā)了太陽能發(fā)電發(fā)展“十二五”規(guī)劃。規(guī)劃明確了“十二五”期間我國太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的七大重點

19、任務(wù)：,（一）有序推進太陽能電站建設(shè) （二）大力推廣分布式太陽能光伏發(fā)電 （三）建設(shè)新能源微網(wǎng)示范工程 （四）創(chuàng)建新能源示范城市 （五）完善太陽能發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新體系 （六）提高太陽能發(fā)電產(chǎn)品持續(xù)競爭力 （七）建立完善太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)體系,事實上，人們已經(jīng)用上太陽能，不過其成本大約是傳統(tǒng)電力的三倍。前者的成本是每千瓦1822美分，而傳統(tǒng)電力的價格僅為每千瓦510美分。這說明，轉(zhuǎn)換率不是最重要的，低成本的獲取能源才是大家的目的。隨著技術(shù)的進步，例如利用“塑料”太陽能電池來取代比較昂貴的硅太陽能電池，美國能源部認為太陽能成本將在幾年內(nèi)降至常規(guī)電力的水平 由此可以看出，太陽能電池市場前景廣闊。,有機太

20、陽能電池需要解決的問題,有機太陽能電池要想實現(xiàn)商業(yè)化，關(guān)鍵問題是電池的各種性能參數(shù)尤其是總光電轉(zhuǎn)換效率的提高，以下是幾個關(guān)鍵的方面： 電池的運作機理：目前機理研究沒有重大的新突破，這方面是首要問題。 電池的制作材料：尋找合適的電子和空穴傳輸材料，保證電子空穴對能夠有效地分離和傳導(dǎo)，降低電子空穴對傳輸過程中的復(fù)合和耗散幾率是材料選擇的一個重要條件。 制作工藝：也是提高電池性能參數(shù)的一個重要方面，如對電極的表面修飾，如何讓電極表面吸附更多的染料，或者說如何讓染料和電極進行最優(yōu)的接觸，最大限度的減少電子和空穴在傳輸過程中的損耗等。 此外，電池的穩(wěn)定性與壽命也是不容忽視的問題,總結(jié),有機太陽能電池機理研究還沒有出現(xiàn)重大的新突破，能否找到新的依據(jù)來進行有機 太陽能電池的設(shè)計,可能會是今后很長一段時間內(nèi)需要解決的問題。盡管如此還是可以大膽地預(yù)測成本低、效率高、工藝簡單的有機太陽能電池在將來的商業(yè)化普及是必然的, 它將成為世界能源中重要的有生力量。,謝謝！,