有機(jī)太陽(yáng)能電池報(bào)告

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1、 有機(jī)太陽(yáng)能電池報(bào)告 經(jīng)過這幾堂課的學(xué)習(xí)我從中學(xué)到了一些關(guān)于有機(jī)太陽(yáng)能的相關(guān)知識(shí)，雖然聽進(jìn)去的不多但是也有所收獲，下面簡(jiǎn)要做下有機(jī)太陽(yáng)電池的總結(jié)。 有機(jī)太陽(yáng)能電池是成分全部或部分為有機(jī)物的太陽(yáng)能電池，他們使用了導(dǎo)電聚合物或小分子用于光的吸收和電荷轉(zhuǎn)移。有機(jī)物的大量制備、相對(duì)價(jià)格低廉，柔軟等性質(zhì)使其在光伏應(yīng)用方面很有前途。通過改變聚合物等分子的長(zhǎng)度和官能團(tuán)可以改變有機(jī)分子的能隙，有機(jī)物的摩爾消光系數(shù)很高，使得少量的有機(jī)物就可以吸收大量的光。相對(duì)于無機(jī)太陽(yáng)能電池，有機(jī)太陽(yáng)能電池的主要缺點(diǎn)是較低的能量轉(zhuǎn)換效率，穩(wěn)定性差和強(qiáng)度低。 有機(jī)太陽(yáng)能電池的原理： 太陽(yáng)能電池的基

2、本原理是基于半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)或金屬半導(dǎo)體界面附近的光伏效應(yīng)，所以又稱為光伏電池。當(dāng)光子入射到光敏材料時(shí)，激發(fā)材料內(nèi)部產(chǎn)生電子和空穴對(duì)，在靜電勢(shì)能作用下分離，然后被接觸電極收集，這樣外電路就有電流通過。 在太陽(yáng)光的照射下有機(jī)材料吸收光子，如果該光子的能量大于有機(jī)材料的禁帶寬度E，就會(huì)產(chǎn)生激子(電子空穴對(duì))激子的結(jié)合能大約為0.2～1.0 eV高于相應(yīng)的無機(jī)半導(dǎo)體激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)的結(jié)合能。因此激子不會(huì)自動(dòng)解離．兩種具有不同電子親和能和電離勢(shì)的材料相結(jié)觸，接觸界面處產(chǎn)生接觸電勢(shì)差，可以驅(qū)動(dòng)激子解離。 有機(jī)太陽(yáng)能電池以具有光敏性質(zhì)的有機(jī)物作為半導(dǎo)體的材料，以光伏效應(yīng)而產(chǎn)生電壓形成電流。主要

3、的光敏性質(zhì)的有機(jī)材料均具有共軛結(jié)構(gòu)并且有導(dǎo)電性，如酞菁化合物、卟啉、菁（cyanine）等。 有機(jī)太陽(yáng)能電池按照器件結(jié)構(gòu)可基本分為3類： (1)單質(zhì)結(jié)(肖特基型)有機(jī)太陽(yáng)能電池 (2)異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池 (p-n 異質(zhì)結(jié) 混合異質(zhì)結(jié)即本體異質(zhì)結(jié) 級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)) (3)染料敏化有機(jī)太陽(yáng)能電池 單質(zhì)結(jié)(肖特基型)有機(jī)太陽(yáng)能電池 這是一種研究較早的太陽(yáng)能電池，結(jié)構(gòu)為：玻璃／電極／有機(jī)層／電極，如圖a所示： 對(duì)于單層結(jié)構(gòu)的電池來說，其內(nèi)建電場(chǎng)源于兩個(gè)電極的功函數(shù)差或者金屬與有機(jī)材料接觸而形成的肖特基勢(shì)壘。一般常用的有機(jī)光伏材料均可被制成此類太陽(yáng)能電池，

4、如酞菁(phthalocyanine)、卟啉(porphyrin)、菁染料(cyanine)、導(dǎo)電聚合物等有機(jī)材料。 缺點(diǎn)在于： 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)有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率低。實(shí)驗(yàn)室中以聚合物或有機(jī)分子材料制備的此類電池效率最高為4％。 最新進(jìn)展： 有機(jī)材料進(jìn)行O2，H2，I2摻雜可提高其電導(dǎo)率，通過表面等離子極化(SPP)激發(fā)技術(shù)提高光吸收量，從而提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。 異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池 u P-n異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)為：玻璃／陽(yáng)極／給體材料／受體材料／金屬電極。如圖b所示： 相比于單

5、質(zhì)結(jié)電池，p-n 質(zhì)結(jié)電池的優(yōu)勢(shì)在于： u 對(duì)有機(jī)材料的合理選擇可以制造出寬光譜范圍響應(yīng)的器件。 u 各種染料的電子施主--受主相互作用使得光生載流子的高產(chǎn)率成為可能。 缺陷在于： u 由于有效的電荷分離只發(fā)生在給受體界面處，電荷分離被限制在電池較小的區(qū)域內(nèi)，從而使吸收光子的數(shù)量受到限制。所以此類有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率仍然較低。 研究進(jìn)展： 為了擴(kuò)大給受體接觸面積，獲得更多的光生載流子，學(xué)者們以聚合物MEH—PPV為給體、C60衍生物PCBM作為受體構(gòu)造了混合異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池。其結(jié)構(gòu)為玻璃／陽(yáng)極／給體+受體混合材料／金屬電極（圖c）。由于無處不在的納米尺度的界面大大增加了

6、給受體接觸面積，激子解離效率提高，使ηp進(jìn)一步提高到2.9%。 本體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu) u 理想情況下，在混合異質(zhì)結(jié)中電荷分離與收集是等效的。但實(shí)際上混合體微觀結(jié)構(gòu)是無序的，網(wǎng)絡(luò)間存在大量缺陷，從而阻礙了電荷的分離和傳輸。研究發(fā)現(xiàn)：將給體和受體通過共價(jià)鍵連接，可以很簡(jiǎn)單地獲得微相分離的互滲雙連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，基本能夠克服以上的缺陷，并且基于單一有機(jī)化合物的器件有利于獲得化合物結(jié)構(gòu)與器件效率的關(guān)系。 u 混合異質(zhì)結(jié)電池的研究進(jìn)展 Sun等以多種非共軛柔性鏈作為連接給體和受體的橋梁，合成了有序的體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池材料，制備成器件，通過空間和能級(jí)優(yōu)化減少光子吸收、激子

7、及載流子的損失，提高了電池的能量轉(zhuǎn)化效率。 u 級(jí)聯(lián)電池是一種串聯(lián)的疊層電池，是將兩個(gè)或以上的器件單元以串接的方式做成一個(gè)器件(圖ld)，以便最大限度地吸收太陽(yáng)光譜，提高電池的開路電壓和效率．級(jí)聯(lián)電池可利用不同材料的不同吸收范圍，增加對(duì)太陽(yáng)光譜的吸收，減少高能光子的熱損失，最終提高器件效率。 染料敏化太陽(yáng)能電池 染料敏化太陽(yáng)能電池的工作原理 染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)的基本工作原理如下：當(dāng)能量低于多孔納米TiO2薄膜禁帶寬度，但等于染料分子特征吸收波長(zhǎng)的入射光照射在多孔電極上時(shí)，吸附在多孔電極表面的染料分子中的電子受激躍遷至激發(fā)態(tài)，再注人到TiO2導(dǎo)帶，而染料分

8、子自身成為氧化態(tài)。注入到TiO2中的電子通過擴(kuò)散富集到導(dǎo)電玻璃基板，然后進(jìn)入外電路。處于氧化態(tài)的染料分子從電解質(zhì)溶液中獲得電子而被還原成基態(tài)，電解質(zhì)中被氧化的電子擴(kuò)散至對(duì)電極，這就完成了一個(gè)光電化學(xué)反應(yīng)的過程。在染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)中，光能被直接轉(zhuǎn)換成了電能，而電池內(nèi)部并沒有發(fā)生凈的化學(xué)變化。 提出問題：寬帶隙半導(dǎo)體捕獲太陽(yáng)光的能力很差，無法直接用于太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換。 研究發(fā)現(xiàn)：將與寬帶隙半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶能量匹配的一些有機(jī)染料吸附到半導(dǎo)體表面上，利用有機(jī)染料對(duì)可見光的強(qiáng)吸收。從而將體系的光譜響應(yīng)延伸到可見區(qū)，這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的染料敏化作用。 燃料敏化太陽(yáng)能電

9、池示意圖 染料敏化層對(duì)降低電極的禁帶寬度、增強(qiáng)其吸收太陽(yáng)光的能力、提高轉(zhuǎn)換效率具有重要的作用。因此敏化劑的選擇是制作染料敏化太陽(yáng)能電池的重要環(huán)節(jié)。常用的敏化劑除聯(lián)吡啶配合物以外，還有酞菁類金屬配合物、鄰菲咯啉類配合物、卟啉類配合物等。有機(jī)染料來源豐富，具有高的光吸收率，而且具有多樣化結(jié)構(gòu)，為人們進(jìn)行分子設(shè)計(jì)提供了可能。 有機(jī)太陽(yáng)能電池具有如下優(yōu)點(diǎn)： u 化學(xué)可變性大，原料來源廣泛； u 有多種途徑可改變和提高材料光譜吸收能力，擴(kuò)展光譜吸收范圍，并提高載流子的傳送能力； u 加工容易，可采用旋轉(zhuǎn)法、流延法大面積成膜，還可進(jìn)行拉伸取向使極性分子規(guī)整排列，采用LB膜技術(shù)在分

10、子生長(zhǎng)方向控制膜的厚度； u 容易進(jìn)行物理改性，如采用高能離子注入摻雜或輻照處理可提高載流子的傳導(dǎo)能力，減小電阻損耗提高短路電流； u 電池制作的結(jié)構(gòu)多樣化； u 價(jià)格便宜。有機(jī)高分子半導(dǎo)體材料的合成工藝比較簡(jiǎn)單，如酞菁類染料早已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，因而成本低廉。這是有機(jī)太陽(yáng)能電池實(shí)用化最具有競(jìng)爭(zhēng)能力的因素。 u 可降解，對(duì)環(huán)境的污染小。 有機(jī)太陽(yáng)能電池發(fā)展前景 與傳統(tǒng)硅電池相比，有機(jī)太陽(yáng)能電池更輕薄，在同等體積的情況下，展開后的受光面積會(huì)大大增加。因此，可將有機(jī)太陽(yáng)能電池可以應(yīng)用于通信衛(wèi)星中，提高光電利用率。而且，由于其輕薄柔軟易攜帶的特性，有機(jī)太陽(yáng)能電池不久將能給微型電

11、腦、數(shù)碼音樂播放器、無線鼠標(biāo)等小型電子設(shè)備提供能源。 從目前顯示器領(lǐng)域的發(fā)展方向來看，更大的面積、更低的成本、更加節(jié)能環(huán)保以及輕薄耐用都是熱點(diǎn)趨勢(shì)，柔性顯示器不僅具有這些特性，而且具有更多創(chuàng)新應(yīng)用的發(fā)展?jié)摿?，從單純的面板擴(kuò)大至數(shù)字出版、 會(huì)展布置、廣告媒體和建筑設(shè)計(jì)等產(chǎn)業(yè)，深入生活的不同層面，改變整個(gè)信息生活的風(fēng)貌。將有機(jī)太陽(yáng)能電池應(yīng)用在柔性顯示器中，其廉價(jià)的成本、輕薄、環(huán)保、可折疊的性能比其它電池具有更大的優(yōu)勢(shì)。 最近，以視頻眼鏡和隨身影院為重要載體的頭戴式顯示器得到了越來越廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。采用有機(jī)太陽(yáng)能電池作為電源給OLED屏幕供電，其輕便性能可以減輕重量，使得頭戴式顯示器

12、更加人性化。我們預(yù)計(jì)，有機(jī)太陽(yáng)能電池與OLED的聯(lián)合使用可以引領(lǐng)電子設(shè)備的革命，人們生活與娛樂也將變得更加豐富多彩。 在軍事方面，有機(jī)太陽(yáng)能電池與OLED技術(shù)的結(jié)合可用于集多種通訊能力于一體的護(hù)腕式通訊設(shè)備，實(shí)時(shí)觀看視頻和圖形信息，適合陸軍進(jìn)行野戰(zhàn)評(píng)估。 在電力方面，有機(jī)太陽(yáng)能電池除了應(yīng)用在內(nèi)蒙地區(qū)或遼寧西北部地區(qū)沙化土地上進(jìn)行發(fā)電外，還可以用于大面積的植樹造林。采用速生的品種讓樹木在有效的生長(zhǎng)期內(nèi)快速增長(zhǎng)，使樹木在人為的控制下像糧食一樣增產(chǎn)增收。在具體實(shí)施過程中，有機(jī)太陽(yáng)能電池和太陽(yáng)能抽水技術(shù)將發(fā)揮十分重要的作用。 經(jīng)計(jì)算，模擬葉綠素的有機(jī)太陽(yáng)能薄膜電池理論上光電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)6

13、0-80%，這是有機(jī)太陽(yáng)能電池提高光電轉(zhuǎn)化效率的可能的重要途徑，也是一條發(fā)展的新思路。 有機(jī)太陽(yáng)能電池的問題 有機(jī)材料的帶隙很大是導(dǎo)致有機(jī)太陽(yáng)能電池相對(duì)無機(jī)太陽(yáng)能電池的問題有較低的量子效率（~3%）的主要原因。材料的氧化和還原所導(dǎo)致的不穩(wěn)定性，重結(jié)晶和溫度變化導(dǎo)致了器件的衰老，每個(gè)層面都對(duì)研究者提出了很大的挑戰(zhàn)。其它重要因素還有激子擴(kuò)散距離、電荷分離和電荷收集，而材料中的雜質(zhì)對(duì)電荷傳導(dǎo)和遷移率也有影響。 以上就是我對(duì)有機(jī)太陽(yáng)電池的做到報(bào)告，有些是上課所沒接觸到的但經(jīng)過一番整理和上網(wǎng)搜索讓我獲取的知識(shí)有所增加，對(duì)一些模糊的知識(shí)點(diǎn)也理清了，相信自己對(duì)有機(jī)太陽(yáng)電池已經(jīng)知道了許多。 常州工程 光伏1121 2013.10.26 6