有機(jī)太陽能電池太陽能電池簡(jiǎn)介

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1、有機(jī)太陽能電池 景廣華 2009.12.22 提綱 太陽能電池的定義 太陽能電池的種類 有機(jī)太陽能電池簡(jiǎn)介 有機(jī)太陽能電池的優(yōu)勢(shì)和不足 有機(jī)太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀 有機(jī)太陽能電池的發(fā)展前景 太陽能電池的定義 太陽能電池是太陽能光伏發(fā)電的基礎(chǔ)和 核心，是一種利用光生伏打效應(yīng)把光能轉(zhuǎn) 變?yōu)殡娔艿钠骷?。用適當(dāng)?shù)墓庹赵谏线呏?后器件兩端會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。 典型的太陽電池是一個(gè) p-n結(jié)半導(dǎo)體二極管。 p-n結(jié)的形成過程 光生載流子電子空穴對(duì)的產(chǎn)生 “ 光生電壓 ” 及 “ 光生電流 ” 的產(chǎn)生 p-n結(jié) “光生載流子 ” 的產(chǎn)生 光子把電子從價(jià)帶 (束縛 )激發(fā)到導(dǎo)帶 (自 由 )，并在價(jià)帶內(nèi)留下一個(gè) /空

2、穴 (自由 ) 產(chǎn)生了自由電子空穴對(duì) “ 光生電壓 ” 的產(chǎn)生 自由電子和空穴擴(kuò)散進(jìn)入 p-n結(jié)， n-p 結(jié)作用下，分別 在 n區(qū)和 p區(qū) 形成電子 和空穴的積累 太陽電池 太陽能電池的種類 結(jié)構(gòu)分類 同質(zhì)結(jié) (si) 異質(zhì)結(jié) (砷化鋁鉀 -砷化鎵異質(zhì)結(jié) ) 肖特基 (ms電池 )現(xiàn)在發(fā)展成 mos電池 材料分類 硅太陽能 無機(jī)化合物半導(dǎo)體太陽能 (硫化鎘 -硫化亞銅， 砷化鎵等 ) 敏化納米晶太陽能 (染料敏化太陽能 ) 機(jī)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(jī)物太陽能 ) 塑料太陽能 (高分子多聚物太陽能 ) 光電轉(zhuǎn)換機(jī)理分類 傳統(tǒng) (光照直接產(chǎn)生電子空穴對(duì) )

3、 激子 (光照產(chǎn)生的是激子，有機(jī)小分子，染 料，多聚物 ) 材料種類 有機(jī)太陽能電池簡(jiǎn)介 廣泛的講有機(jī)太陽能電池主要是利用 有機(jī)小分子或有機(jī)高聚物來直接或間接將 太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷?有機(jī)太陽能電池發(fā)展簡(jiǎn)史 有機(jī)太陽能電池是一種正在進(jìn)行研究 的新型電池。有機(jī)太陽能電池這個(gè)概念貌 似很新，但其實(shí)它的歷史也不短 跟硅 基太陽能電池的歷史差不多 。 第一個(gè)有機(jī)光電轉(zhuǎn)化器件是由 Kearns 和 Calvin在 1958年制備的，其主要材料為 鎂酞菁 (MgPc)染料，染料層夾在兩個(gè)功函 數(shù)不同的電極之間。在那個(gè)器件上，他們 觀測(cè)到了 200 mV的開路電壓，光電轉(zhuǎn)化效 率低得讓人都不好意思提 。

4、 1986年，柯達(dá)公司的鄧青云博士 . 光電轉(zhuǎn)化 效率達(dá)到 1左右。時(shí)至今日這種雙層膜異質(zhì)結(jié)的 結(jié)構(gòu)仍然是有機(jī)太陽能電池研究的重點(diǎn)之一。 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(jī)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。此后，以 C60為電子受體的雙層膜異質(zhì)結(jié) 型太陽能電池層出不窮。 研究人員在此類太陽能電池的基礎(chǔ)上又提出 了一個(gè)重要的概念：混合異質(zhì)結(jié) (體異質(zhì)結(jié) ) 工作原理和影響因素 光子捕獲吸收 能量傳輸轉(zhuǎn)移 載流子產(chǎn)生 載流子收集 光子捕獲及

5、影響因素： 也就是光子到來能夠吸收并儲(chǔ)存它所攜帶 的能量的部分。（硅，有機(jī)物） 影響因素 基板的透光性 能級(jí)特性，激發(fā)態(tài)穩(wěn)定性，回傳速率等 能量傳輸及影響因素 傳統(tǒng)器件 ： 載流子 激子器件 ： 激子 遷移率（摻雜） 擴(kuò)散長(zhǎng)度（雜質(zhì)，缺陷，遷移率，和激發(fā) 態(tài)的壽命，及回傳速率） 載流子產(chǎn)生及影響因素 激子器件中由于產(chǎn)生的激子必須擴(kuò)散到 分離點(diǎn)才會(huì)變?yōu)樽杂奢d流子。 激發(fā)態(tài)壽命 遷移率 界面能級(jí)特性 載流子的收集影響因素 激子被分離為載流子之后，必須被電極收集 之后傳導(dǎo)出去 電極功函數(shù) 界面能級(jí)狀態(tài)（復(fù)合） 電極表面形態(tài) 遷移率 有機(jī)物的光化學(xué)和物理過程 激子通常壽命很短，很快失活，能量耗 散掉失

6、活的途徑是多種多樣的，他們?cè)诨?相競(jìng)爭(zhēng)著。 失活途徑： 輻射機(jī)制 無輻射機(jī)制 輻射機(jī)制 ： 熒光（光 光） 磷光（光 光） 無輻射機(jī)制 ： 物理的：內(nèi)轉(zhuǎn)換，系間竄穿（光 熱） 化學(xué)的；單重態(tài)反應(yīng)，三重態(tài)反應(yīng)（光 化學(xué)） 光化學(xué)和光物理過程 激發(fā)態(tài)的能量轉(zhuǎn)移 ： D*+A D+A* 偶極 -偶極能量轉(zhuǎn)移 （ foster能量轉(zhuǎn)移） D* A A* D 電子交換能量轉(zhuǎn)移（ dexter能量轉(zhuǎn)移） D* A A* D 光致電子轉(zhuǎn)移： D*+A D+A- D* A A- D+ D+A* D+A- D A* A- D+ 激子太陽能器件就是基于不同材料之間的能量和電 子轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)太陽能到電能的轉(zhuǎn)換的。 器

7、件結(jié)構(gòu)和性能改善 器件基本結(jié)構(gòu)： 其他常見結(jié)構(gòu)： 目前效率比較高的兩種電池所用的結(jié)構(gòu)： 2007 science 發(fā)表的，是當(dāng)時(shí)的世界記錄 6.5% 2009年 4月 26日 nature photonics 上的高效單結(jié)電池 分類 有機(jī)太陽能按照結(jié)構(gòu)和機(jī)理大致分為以 下幾種類型。 有機(jī)肖特基 有機(jī)異質(zhì)結(jié) 有機(jī)體異質(zhì)結(jié) 染料敏化 染料敏化太陽能 示意圖 體異質(zhì)結(jié)太陽能電 池內(nèi)部結(jié)構(gòu) 性能的改善 器件結(jié)構(gòu) 退火工藝 成膜工藝 新分子的采用和分子改造 載流子傳輸層 電極的改進(jìn) 結(jié)構(gòu)的改進(jìn) 肖特基 異質(zhì)結(jié) 體異質(zhì)結(jié) 改進(jìn)體異質(zhì)結(jié) 粒子阻擋層、復(fù)合層 退火工藝 退火的應(yīng)用允許材料進(jìn)行重新的組織形成一定

8、 的晶態(tài)和良好的雙聯(lián)通結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善遷移率， 改進(jìn)器件性能。 溫度 時(shí)間 影響：短路電流，填充因子（串聯(lián)，并聯(lián)電阻）， 開路電壓，響應(yīng)波段。 成膜工藝 有機(jī)器件一般采用真空蒸鍍的方式來沉積薄膜， 當(dāng)然對(duì)于大分子最常用的是旋涂，濺射由于粒子 能量較大不宜用來直接在有機(jī)物上鍍膜。 成分比例 厚度 溶劑 影響：短路電流，開路電壓，填充因子 新分子的采用和分子改造 不同物質(zhì)的特性不同因而對(duì)器件的影響是很 大的，目前來看最有希望的便是富勒烯衍生物作 為受體的電池，當(dāng)然人們還在需求新的途徑。 改造富勒烯系列分子 液晶分子（自組織） 雙區(qū)分子的合成（自組織，引入 C60） 這種工作對(duì)性能的影響是源于物質(zhì)本性

9、的。 載流子傳輸層 載流子傳輸層有時(shí)候也是同時(shí)作為作用 層和電極修飾層的，他對(duì)載流子的收集性 能很重要。 激子阻擋層（ BCP） LiF PEDOT： PSS 碳納米管 影響：短路電流，填充因子 電極的改進(jìn) 清洗（ HCl等） 紫外臭氧處理 PEDOT： PSS ITO的替代（ PEDOT： PSS、碳納米管） LiF 影響：短路電流，填充因子 有機(jī)太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)和不足 有機(jī)太陽能電池作為一種新型的電池， 以其獨(dú)有的特點(diǎn)，不斷的吸引著更多的人 投入到這個(gè)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(dú)有的優(yōu)點(diǎn)和特性。 化合物分子可設(shè)計(jì)性 材料輕便 制造加工成本低 樣式多樣化 便于制造大面積

10、柔性電池 當(dāng)然目前來看有機(jī)太陽能器件仍有不少缺點(diǎn) 材料遷移率低，高體電阻，從而導(dǎo)致能量 轉(zhuǎn)換率低。 材料穩(wěn)定，耐久性不夠好，電池壽命短。 當(dāng)然從目前世界上有機(jī)太陽能研究的狀 況來看雖然存在這些缺點(diǎn)，但是相對(duì)于制 造無機(jī)電池的高昂代價(jià)來講，無機(jī)太陽能 的研究仍舊有很強(qiáng)大的生命力。 有機(jī)太陽能的研究現(xiàn)狀 當(dāng)電力、煤炭、石油等不可再生能源頻 頻告急，能源問題日益成為制約國際社會(huì) 經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸時(shí)，越來越多的國家開始 開發(fā)太陽能資源，尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力。 而太陽能電池便是一個(gè)很好的應(yīng)用。 無機(jī)： 這種無機(jī)原料太陽能電池造價(jià)昂貴， 因而與其他一些能源發(fā)電比起來缺乏競(jìng)爭(zhēng) 力 。 (縱然如此研究者也不在少

11、數(shù) ) 有機(jī)： 未來太陽能電池的主流發(fā)展方向強(qiáng)調(diào) 的是更輕便、更靈活，最重要的是， 更便宜 因而目前 有機(jī)太陽能的現(xiàn)狀是： 研究機(jī) 構(gòu)紛紛投身研究有機(jī)太陽能，企業(yè)也紛紛涉 足有機(jī)太陽能。 下面介紹的是近兩年研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的動(dòng) 態(tài)和研究現(xiàn)狀： 2007 Science Alan J. Heeger等 “使有機(jī)薄 膜太陽能電池的單元轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了全球最高 6.5 ”。 結(jié)構(gòu) ：級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu) 關(guān)鍵 ：在兩個(gè)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 (750 800nm) PC70BM與 P3HT的混合材料

12、(500nm ) 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(jī)薄膜太陽能電池 的單元轉(zhuǎn)換效率提高到了 6.1。 (2007級(jí)聯(lián) 6.5 。 ) 結(jié)構(gòu) ：?jiǎn)谓Y(jié)、 Bulk Hetero結(jié)構(gòu) P型 ： PCDTBT n型 ： PC70BM 特點(diǎn) ：開放電壓較大 (425 575nm時(shí)，內(nèi)部 量子效率高達(dá) 90。 ) 三菱化學(xué)開發(fā)出了 4.5的轉(zhuǎn)換效率的電池。 P型 ： P3HT N型 ：富勒烯衍生物 目標(biāo) ：今后力爭(zhēng) 2010年度達(dá)到 10， 并于 2015年 使模塊轉(zhuǎn)換效率為 15 的有機(jī)太陽能電池實(shí)現(xiàn)實(shí)用 化 大阪大學(xué) (2008年 3月 2

13、7 30日 )成功開發(fā)出了單元 轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 5.3的有機(jī)固體太陽能電池。 關(guān)鍵 ：純度極高的 C60(7個(gè)九 )結(jié)晶實(shí)現(xiàn)的 (僅通過這兩 點(diǎn)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) Konarka科技的有機(jī)薄膜太陽能電池“ Power Plastic “(Konarka在其所在地 )美國波士頓的屋頂上安裝了基本相同 的太陽能電池， 1年 后其性能 幾乎沒有下降 。多數(shù)看法認(rèn) 為有機(jī)太陽能電池的封裝必須使用玻璃或非常昂貴的薄膜， 與此相反，我們利用市售廉價(jià)材

14、料制造出的柔性太陽能電 池模塊卻具有如此之高的 耐久性 ，是了不起的成果 ” 英國風(fēng)險(xiǎn) (G24i企業(yè) G24 Innovations )已從 2007年 10 月起采用卷對(duì)卷式印刷技術(shù)以 25MW/年的規(guī)模開始 量產(chǎn)柔性色素 増 感型太陽能電池模塊。產(chǎn)品已于 2008年上市。充電器的價(jià)格為 20 40美元。 東麗在 2009年 3月，通過新開發(fā) p型 (施主 )有機(jī) 半導(dǎo)體材料，使轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了 5.5。 該 p型有機(jī)半導(dǎo)體材料的要點(diǎn)為兩個(gè)方面： (1)通過加大與 n型 (受主 )有機(jī)半導(dǎo)體材料的能級(jí) (空 間電位 )差，實(shí)現(xiàn)了約 1V的高開路電壓； (2)通過涂覆與 n型半導(dǎo)體材料的分散混

15、合液形成 pn 結(jié)時(shí)，能夠擴(kuò)大單位體積中 pn結(jié)界面的表面積。該 公司將力爭(zhēng)在 2015年前使轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 7。 大日本印刷于 2009年 6月宣布， 5cm見方單元的 能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了 4以上 特點(diǎn) ：安裝輔助電極使有機(jī)薄膜太陽能電池。 目標(biāo) ： 2012年度開始樣品供貨有機(jī)薄膜太陽能電 池， 2015年度之前達(dá)到實(shí)用水平。此外還將研究基 于 PET薄膜底板的卷對(duì)卷工藝的量產(chǎn)技術(shù) 科納卡技術(shù)在 2009年 2月于日本舉行的“ PV EXPO 2009 第二屆國際太陽能電池展”上展出了利用 卷對(duì)卷 方式 制造的多種有機(jī)薄膜太陽能電池模塊。展示了利用 柔性 特 點(diǎn)封裝于皮包中，或作為電子紙的電

16、源加以利用的試制品 2009年 6月 18日英特爾研 發(fā)部門成果展示會(huì) n型 ：富勒烯衍生物 p型 ： P3HT 結(jié)構(gòu)：體異質(zhì)結(jié) 特點(diǎn) ：電極制成了梳 齒狀，電子更易流動(dòng)的， 提高體異質(zhì)結(jié)構(gòu)造規(guī)則性 控制 效率 ： 2mm2面積效率 可達(dá)到 6， (此次 1.8 2 ) 目標(biāo) ：開發(fā)采用柔性 底板的技術(shù) 德國 Heliatek GmbH宣布，其有機(jī)薄膜 太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了 6.07。 結(jié)構(gòu) ：低分子材料的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。 目標(biāo) ：今后幾年內(nèi)使轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 10 。 (該公司將在 2009年 9月 21 25日于德國漢 堡舉辦的太陽能電池技術(shù)國際會(huì)議 ) 2009年 12月 2日 solarm

17、er宣布，有機(jī)太陽能 電池轉(zhuǎn)換率已經(jīng)達(dá)到 7.9%，為世界最高。 該公司 10月份已經(jīng)達(dá)到 7.6%，之前其在 nature photonics 2009年 10月的一篇文章上 提到的效率為 6.77% 有機(jī)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(shí)驗(yàn)階 段，其能效卻已被不斷夸大的時(shí)候，有機(jī) 材料太陽能電池能夠降低發(fā)電 成本 的潛能 已經(jīng)被實(shí)實(shí)在在地發(fā)掘并開始為人們所用， 因?yàn)檫@些有機(jī)材料的半導(dǎo)體可以被大量生 產(chǎn)并靈活運(yùn)用于各個(gè)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(dá)到商業(yè)化 的目標(biāo)。 全球太陽能電池產(chǎn)業(yè) 1994-2004年 10 年里增長(zhǎng)了 17倍，

18、太陽能電池生產(chǎn)主要分 布在日本、歐洲和美國。 2006年全球太陽能電池安裝規(guī)模已達(dá) 1744MW，較 2005年成長(zhǎng) 19 ，整個(gè)市場(chǎng) 產(chǎn)值已正式突破 100億美元大關(guān)。 2007年全球太陽能電池產(chǎn)量達(dá)到 3436MW，較 2006年增長(zhǎng)了 56% 中國對(duì)太陽能電池的研究起步于 1958 年， 20世紀(jì) 80年代末期，國內(nèi)先后引進(jìn)了 多條太陽能電池生產(chǎn)線，使中國太陽能電 池生產(chǎn)能力由原來的 3個(gè)小廠的幾百 kW一 下子提升到 4個(gè)廠的 4.5MW，這種產(chǎn)能一直 持續(xù)到 2002年，產(chǎn)量則只有 2MW左右。 2002年后，歐洲市場(chǎng)特別是德國市場(chǎng) 的急劇放大和 無錫尚德 太陽能電力有限公 司的橫空

19、出世及超常規(guī)發(fā)展給中國光伏產(chǎn) 業(yè)帶來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇和示范效應(yīng) 太陽能光伏發(fā)電在不遠(yuǎn)的將來會(huì)占據(jù)世界能源 消費(fèi)的重要席位。 預(yù)計(jì)到 2030年，可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將 占到 30 以上，而太陽能光伏發(fā)電在世界總電力供 應(yīng)中的占比也將達(dá)到 10 以上； 到 2040年，可再生能源將占總能耗的 50 以上， 太陽能光伏發(fā)電將占總電力的 20 以上； 到 21世紀(jì)末，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中將占到 80 以上，太陽能發(fā)電將占到 60 以上。 事實(shí)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(jià)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(jìn)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(rèn)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(chǎng)前景廣 闊。 謝 謝