有机太阳能电池.ppt课件.ppt

,有机太阳能电池,1 染料敏化太阳能电池及材料2 有机聚合物太阳电池3 有机光伏电池的理论及参数,太阳能电池归类及效率,太阳能电池应用,以有机分子作为光作用材料的太阳能电池主要可区分为四大类：(1)染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cell,DSSC)；(2)全有机半导体材质的太阳能电池；(3)高分子掺混碳六十及其衍生物的太阳能电池；(4)高分子掺混无机纳米粒子的太阳能电池,全称：染料敏化纳米薄膜太阳能电池，是近年发展起来的一种太阳能电池，是由瑞士的Graktzel教授领导的研究小组首次提出的，是基于自然界中的光合作用原理 而发明的这种电池以廉价的TiO2 纳米多孔膜作为半导体电极，以Ru及Os等有机金属化合物作为光敏化染料，选用适当的氧化一还原电解质做介质，组装成染料敏化TiO 2纳米晶太阳能电池(简称DSSC电池),1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池简介,1991年，瑞士Grtzel M.以较低的成本得到了7%的光电转化效率。1998年，采用固体有机空穴传输材料的全固态DSSCs电池研制成功，其单色光电转换效率达到33%，从而引 起了全世界的关注。目前，DSSCs的光电转化效率已能稳定在10以上，寿命能达 1520年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/51/10。,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池简介,1998,Sommeling et al,1998,M,Gratzel,Black-dye,10.4%(AM1.5),2001,A.Hagfektt et al 6.2%(AM1.5),2002,W.Kubo et al,6.0%(AM1.5),2003,1993,M,Gratzel,N719-dye,10.58%(AM1.5),2004,M,Gratzel,11.04%(AM1.5),1976,H.Tsubomura,et al,ZnO,2.5%(at 563nm),1991,M.Gratzel,N3-dye,7.1-7.9%(AM1.5),1998.K.Tennakone,CuI,4.5%(simulated sunlight),2003,M.Gratzel,6.6%(AM1.5),1993,M.Gratzel,Red-dye,10.0%(AM1.5),图1.12 TiO2染料敏化太阳电池发展简况,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池简介,从经济角度来讲：若批量生产，电池的成本在510元/(峰瓦)左右3，而普通的硅电池在20-40元/(峰瓦)，因而染料敏化纳米薄膜太阳电池电池非常适合批量生产，满足城市居民以及广大农村的需要，特别是对我国近七千万边远地区人口的用电具有实际的意义。,染料敏化太阳电池的优点：,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池简介,战略角度来讲 我国是一个能源的消耗大国，特别是电力的短缺严重影响我国的经济持续稳定发展。但是无论是核电还是火电所需要的燃料都是非常有限的，发电的同时也给环境造成了严重的污染。因此我国尤其应当注重太阳能这种可再生绿色能源的开发与利用。为经济、环境、社会的协调发展奠定良好的基础。,染料敏化太阳电池的优点：,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池简介,从实用性角度来讲：从染料敏化纳米薄膜太阳电池的结构可以看出，电池是由双块透明导电玻璃及有一定颜色的染料和电解质构成，而整个电池是透明的，且带一定颜色，所以可以通过适当选择染料和电解质的颜色及TiO2膜的厚度来控制整个电池的透光率，这样可以把电池用作窗户玻璃，即透光又可当电池用。,染料敏化太阳电池的优点：,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池简介,染料敏化纳米薄膜太阳电池电池主要由以下几部分组成：透明导电玻璃、纳米多孔TiO2膜、染料光敏化剂、电解质和反电极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构,导电玻璃,二氧化钛,染料,电解液,碳电极,导电玻璃,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池原理,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池原理,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池原理,导电基底材料,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,导电基底材料又称为导电电极材料,分为光阳极材料和光阴极材料(或称反电极).目前作为导电基底材料的有透明导电玻璃、金属箔片、聚合物导电基底材料等。要求导电基底材料的方块电阻越小越好；光阳极和光阴极基底中至少要有一种是透明的，透光率一般要在85%以上。用于制备光阳极和光阴极衬底的作用是收集和传输从光阳极传输过来的电子，并通过外回路传输到光阴极并将电子提供给电解质中的电子受体。,导电基底材料,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,导电基底材料主要是透明导电玻璃，是在厚度为1-3mm的普通玻璃表面镀上导电膜制成的。主要成份是掺F的透明SnO2膜（FTO），在SnO2和玻璃之间有一层几个纳米厚度的纯SiO2膜，目的是防止高温烧结过程中普通玻璃中Na+和K+等离子扩散到SnO2导电膜中。ITO也可作为该电池的导电衬底材料。,半导体薄膜主要是纳米TiO2多孔薄膜。它是染料敏化太阳电池的核心之一，作用是吸附染料光敏化剂，并将激发态染料注入到电子传输到导电基底。主要有TiO2，ZnO，Nb2O5，WO3，Ta2O5，CdS，Fe2O3和SnO2等。,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,TiO2光电阴极,纳米半导体薄膜的特征:具有大的比表面积，使其能够有效地吸附单分子层染料，更好地利用太阳光；纳米颗粒和导电基底以及纳米半导体颗粒之间应有很好的电学接触，使载流子在其中能有效地传输，保证大面积薄膜的导电性；电解质中的氧化还原电对（一般为I3-/I-)能够渗透到纳米半导体薄膜内部，使氧化态染料能有效地再生。,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,TiO2光电阴极,纳米材料指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本结构单元构成的材料。基本单元按维数分：零维：空间三维均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等 量子点一维：空间有两维处在纳米尺度，如纳米丝，纳米棒、纳米管等 量子线二维：空间有一维处在纳米尺度，如超薄膜，多层膜，超晶格等 量子阱,纳米材料与纳米结构的定义,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,纳米的基本概念,人高,红血球,分子及DNA,氢原子,针头,1 纳米,0.1 纳米,1千 纳米,100万 纳米,20亿 纳米,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,电子能级的不连续性量子尺寸效应小尺寸效应表面效应宏观量子隧道效应,纳米微粒的基本性质,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。,量子尺寸效应,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体d,，电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关光谱线会产生向短波长方向的移动 催化活性与原子数目有奇妙的联系,量子尺寸效应,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,当纳米微粒的尺寸与光波的波长、德布罗意波长、超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性边界条件被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应。,小尺寸效应,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,光吸收显著增加，并产生吸收峰的等离子共 振频移磁有序态向磁无序态、超导相向正常相转变声子谱发生改变纳米颗粒的熔点降低,块状 1337K2nm 600K,金,小尺寸效应,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加，粒子的表面能和表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子性质的变化。,表面效应,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,纳米微粒尺寸与表面原子数的关系,表面效应,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同，存在大量的表面缺陷和悬空键，具有不饱和性质，因而极易与其他原子反应，具有很高的化学反应活性。,表面效应,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,金属铜或铝的纳米颗粒一遇空气就会燃烧，发生爆炸(炸药、火箭）一些无机纳米微粒暴露在大气中会吸附气体，并与气体进行反应（储氢材料）很大的比表面，加快化学反应过程（高效催化剂）,表面效应,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力电子具有粒子性又具有波动性，存在隧道效应。一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。,宏观量子隧道效应,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,宏观量子隧道效应、量子尺寸效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。,宏观量子隧道效应,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应及量子隧道效应是纳米微粒与纳米固体的基本特性。它使纳米微粒和纳米固体呈现许多奇异的物理、化学性质，出现一些“反常”现象。,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,TiO2 胶体 在 450 500C 下煅烧 薄膜厚度一般约：10 m 粗糙度 1000，有效表面积大 50-70%的多孔性，使电解液充分渗入。,TiO2的SEM,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,锐钛矿和金红石相TiO2,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,纳米TiO2在电池中起着重要作用，其结构性能决定染料吸附的多少。膜厚在10-15um是一个最优化的厚度，光电转换效率能达到最大值。纳米TiO2对光的吸收、散射、折射产生重要影响，光照下太阳光在薄膜内被染料分子反复吸收，大大提高染料分子的光吸收率。纳米TiO2薄膜对染料敏化太阳能电池中电子传输和界面复合起着很重要作用，影响光电流的输出。,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,在高效染料敏化电池中的纳米多孔薄膜特点：大的比表面积和粗糙因子，能够吸附大量的染料，对于8um的电极来说，粗糙因子可以达到1000；纳米颗粒之间的相互连接，构成海绵状的电极结构，使纳米晶之间有很好的电接触，电子在薄膜中有较快的传输速度，从而减少薄膜中电子和电解质受主的复合；氧化还原电对可以渗透到整个纳米晶多孔膜半导体电极，使被氧化的染料分子能够有效再生；纳米多孔薄膜吸附染料的方式保证电子有效地注入薄膜导带，使得纳米晶半导体和其吸附的染料分子之间的界面电子转移快速有效；对电极施加偏压，在纳米晶的表面能形成聚集层（厚度在几到几十纳米）。对于本征和低掺杂半导体来说，在正偏压作用下，不能形成耗尽层。,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,影响光电流输出的因素:激发态染料分子不能有效地将电子注入到TiO2导带,而是通过内部转换回到基态；氧化态染料分子不是被电解质中的I-还原，而是与TiO2 导带电子直接复合；电解质中I3-不是被对电极上的电子还原成I-，而是被TiO2导带电子还原。,TiO2光电阴极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,染料目前大致分为3类：有钌吡啶有机金属配合物、酞菁和菁类系列染料 和天然染料经过实验证明，用钌吡啶有机金属配合物敏化TiO2 电极的效果最佳人们通过研究钌吡啶配合物敏化太阳能电池中各个环节的动力学速率常数发现，要获得较高的光电转换效率：首先使合成出的染料具有稳定的氧化态和激发态，这样不但会使电池具有较高的逆转能力，还会使染料中的电子注入效率提高，从而使染料中的电子更容易注入到TiO2 薄膜的导带中去,染料,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,其次，染料分子应含有大 键、高度共轭、并且有强的给电子基只有这样染料分子的能级轨道才能与纳晶TiO2 薄膜表面的O-离子形成大的共轭体系，使电子从染料转移到TiO 2薄膜更容易，电池的量子产率更高 再次，染料在可见光区有较强的吸收，尽可能宽的吸收带，从而吸收更多的太阳光，捕获更多的能量，提高光电转换效率除了以上三点外，还要求染料能够快速吸附到TiO2 的孔道中，且不易脱附.,染料,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,由 Grtzel研究小组合成的钌（Ru）配合物,钌（Ru）配合物染料,染料,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,钌（Ru）配合物染料,染料,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,N3dye 被吸收在TiO2（101）表面上,具有羧基的钌（Ru）配合物锚定TiO2表面，TiO2 表面N3 dye 的覆盖度为100%,钌（Ru）配合物染料,染料,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,长期以来，染料敏化太阳能电池一直使用液态电解质.关于溶剂和金属离子的选择对太阳能电池的电流输出有很大的影响这是因为薄膜电极吸附阳离子后，半导体的导带能级会发生变化，这种变化导致了激发态染料分子向半导体中注入电子的能力发生改变因此可以通过调节金属离子和溶剂来改善染料分子的注入能力液体电解质种类繁多，电极电势容易控制但同时它也存在不足之处液体电解质的存在容易导致吸附在薄膜上的染料解吸，影响电池的稳定性；密封工艺复杂；电解质本身不稳定，易发生化学变化，从而导致太阳能电池的失效.,电解液,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,载流子迁移速度慢，在强光下光电流不稳定速率慢，在强光下光电流不稳定；除了氧化还原循环反应外，电解质还存在不可逆反应这些都导致了电池的不稳定和使用寿命的缩短因此要使染料敏化太阳能电池走向实用化，必须解决电解质的问题为了克服液体电解质的不足，人们开始致力于固体电解质的研究上在染料敏化太阳能电池中，电解液的作用是将电子传输给激发态染料，空穴传输到对电极，从而完成一个光路循环,电解液,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,包含I-/I3-氧化还原离子的电解液用于调节TiO2电极和相反电极之间的电子电池性能同以下因素有关：-碘化物中电性相反的离子（Li+,Na+,K+)-溶剂,电解液,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,在相反电极处，I3-离子 再生为 I-离子Pt 覆盖的 TCO(approx.200 nm)或者 碳常用来作为相反电极,相反电极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 电池结构和组成,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 的性能,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 的性能,电荷转移动力学,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 的性能,高能量转换效率低成本原料丰富在颜色的调控、适应消费者方面具有很大的潜力 无污染可再生性好,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 的特点,把二氧化钛胶体涂敷在透明导电玻璃上。就象二氧化钛膜一样，透明导电玻璃上已经事先镀有一层透明导电膜（SnO2）,111 溶胶的制备,1.二氧化钛薄膜的制备,112 基片的清洗与成膜,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 的制备,1.二氧化钛薄膜的制备,111 溶胶的制备 瑞士洛桑高等工学院Gratzel等人提出了一 套TiO2 薄膜的制备方案，他们将钛醇盐逐滴加入水中，通过控制加入的相应醇的量来调节溶胶浓度钛醇盐在水中发生水解，生成沉淀，再将沉淀用去离子水清洗后，溶于硝酸为了控制粒子的大小，还需控制水解的速度和溶胶的浓度方法是将溶胶放人80烘箱烘8 h接下来是热压处理这些溶胶，热压处理可以控制粒子的生长与结晶,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 的制备,111 溶胶的制备 制备溶胶的第二种方法是用二氧化钛粉体来制备瑞士洛桑高等工学院Gritzel 和华侨大学的范乐庆等人都使用过此种方法其过程是称取二氧化钛粉(P25)放入研钵中，一边研磨，一边逐渐加入硝酸或乙酸(pH值为34)，每加入1 mL酸都必须使其研磨得较均匀,1.二氧化钛薄膜的制备,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 的制备,111 溶胶的制备 第三种方法是将钛醇盐溶于部分无水乙醇中，然后加入二乙醇胺和浓盐酸，室温下用磁力搅拌器搅拌1 h，混合均匀后再加入水和无水乙醇体积比为1：10的乙醇水溶液，得到稳定、均匀、透明的浅黄色溶胶此法制备溶胶比较简单易行,1.二氧化钛薄膜的制备,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 的制备,112 基片的清洗与成膜 制备完溶胶后，下一步是成膜在成膜之前，先要对导电玻璃进行清洗清洗的方法是将薄膜分别放入水和乙醇中进行超声清洗在制备染料敏化太阳能电池中最常用的成膜方法是浸渍提拉法和胶带涂敷法浸渍提拉法是将清洁的基片浸泡在溶胶中，然后以一定的速率将基片沿与液面垂直方向提拉，这样在基片表面就附着一层溶胶的薄膜,1.二氧化钛薄膜的制备,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 的制备,113 薄膜的烧结薄膜烧结的过程是钛醇盐发生缩聚反应的过程，在此过程中脱掉薄膜中的水和有机物而生成二氧化钛烧结过程要控制升温速率、保温时间、烧结温度因为它们对薄膜的粒径、孔径和晶型影响非常大,1.二氧化钛薄膜的制备,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 的制备,2.利用天然染料把二氧化钛膜着色,在新鲜的或冰冻的黑莓、山莓和石榴籽上滴34滴水，再进行挤压、过滤，即可得到我们所需要的初始染料溶液；也可以把TiO2 膜直接放在已滴过水并挤压过的浆果上，或在室温下把TiO2膜浸泡在红茶(木槿属植物)溶液中。有些水果和叶子也可以用于着色。如果着色后的电极不立即用，必须把它存放在丙酮和脱植基的叶绿素混合溶液中。,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 的制备,3.制作反电极,反电极是在导电玻璃镀上白金、镍或者碳范乐庆等人 比较了这几种电极的性能结果表明，白金电极效果最佳，镍电极次之，碳电极活性较弱碳电极的制备采用的是物理涂敷用5B铅笔在导电玻璃的导电面进行涂敷，尽量涂均匀然后放人马弗炉中进行热处理，经过热处理后的碳电极用酒精进行冲洗后凉干即可获得所需要的碳电极,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 的制备,4.注入电解质,注入含碘和碘离子的溶液作为太阳电池的电解质，它主要用于还原和再生染料。,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 的制备,把着色后的二氧化钛膜面朝上放在桌上，在膜上面滴一到两滴含碘和碘离子的电解质，然后把反电极的导电面朝下压在二氧化钛膜上。把两片玻璃稍微错开，以便利用暴露在外面的部分作为电极的测试用。利用两个夹子把电池夹住，这样，你的太阳能电池就作成了。在室外太阳光下，可以获得开路电压0.43V，短路电流1mA/cm2的自己做的太阳电池。,5.组装电池,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 的制备,虽然染料敏化太阳能电池与硅太阳能电池相比具有独特的优越性，但是它距实用阶段还有很大距离如何进一步提高电池的光电转化效率、开发高效的固态电解质以及寻找更好的光敏感染料都是染料敏化纳米晶太阳能电池研究领域里有待解决的问题,1 染料敏化太阳能电池及材料,DSSC 未来发展,工作原理:有机半导体产生的电子和空穴束缚在激子(excitons)之中,电子和空穴在界面(电极和导电聚合物的结合处)上分离。美国加州伯克利分校科学家在2002年利用塑料纳米技术研制出第一代塑料太阳能电池，可以安装在一系列便携式设备及可穿戴式电子设备上。提供07V的电压。特点：价格低、易成型，通过化学修饰调控性能。,2 有机聚合物太阳电池,OPV 简介,柔性质轻器件,OPV 简介,2 有机聚合物太阳电池,1.由少数几种元素组成.C、H、O、N、S、P、X 2.形成.有链和环 3.有机物中同分异构体很多.如 C2H6O（分子式）结构式 CH3CH2OH 乙醇 CH3OCH3 甲醚,有机组成上的特点,2 有机聚合物太阳电池,OPV 简介,总之：（1）.有机物都含有碳，不易形成离子化 合物，易形成共价化合物，且可形成C-C共价键，具有同分异构现象、立体异构现象。有同分异构体、立体异构体。（2）组成复杂.如C63H90N14PCo 维生素B12 叶绿素 牛胰岛素（51肽）等。,2 有机聚合物太阳电池,OPV 简介,70,van de Waals 力没有自由载流子或者很少，因为材料中的缺陷和杂质离散能级(但通常也用能带来描述),共价键+离子键具有一定浓度的载流子10101018 cm-3连续能带结构,注意:激子结合能 0.3 eV,有机材料,无机材料,2 有机聚合物太阳电池,OPV 简介,优点成本低质量轻材料来源广泛制备工艺简单可做在柔性衬底上可大面积生产材料的光及电特性可调整,缺点 效率低 寿命短,有机太阳能电池优缺点,有机太阳能电池发展,4 有机太阳能电池,有机薄膜制作方法(膜厚由转速、溶剂、组成成分和浓度决定),刮刀刀片,丝网印刷,旋涂,有机太阳能电池制作方法,4 有机太阳能电池,图1.9 有机太阳电池结构示意图,有机太阳能电池制作方法,4 有机太阳能电池,HOMO,HOMO,LUMO,LUMO,下电极,上电极,给体,受体,h,真空,吸收光子产生激子(电子空穴对),激子在给体受体界面分离,自由电子和空穴传输并被两极收集,电荷产生，传输和收集,有机太阳能电池原理,4 有机太阳能电池,五个关键步骤,激子扩散：激子的扩散长度应该至少等于薄膜的厚度，否则激子就会 发生复合，造成吸收光子的浪费。,电荷分离：对于单层器件，激子在电极与有机半导体界面处离化，对于 双层器件，激子在施主受主界面形成的p-n结处离化。,电荷传输：在有机材料中，电荷的传输是定域态间的跳跃，而不是能带 内的传输，这意味着有机材料和聚合物材料中载流子的迁移率通常都比无机 半导体材料的低。,电荷收集：电荷的收集效率也是影响光伏器件功率转换效率的关键因素，金属与半导体接触时会产生一个阻挡层，阻碍电荷顺利地到达金属电极。,光子吸收：在大部分有机太阳能电池中，因为材料的带隙过高，只有一小部分入射光被吸收，吸收只能达到30左右。,有机太阳能电池原理,4 有机太阳能电池,短路电流Isc 太阳电池在短路条件下的工作电流称为短路光电流(Isc)开路电压Voc 太阳电池在开路条件下的输出电压称为开路光电压(Voc)填充因子FF FF=VmIm/VocIsc,有机太阳能电池特性参数,4 有机太阳能电池,太阳能电池,能量转换效率(PCE)：太阳电池受光面积的最大输出功率（Pmax）与入射的太阳光能量密度（Plight）的百分比。,R,(JV)max,JscVoc,R(0,),4 有机太阳能电池,单层太阳能电池（肖特基型）双层太阳能电池体掺杂太阳能电池,有机太阳能电池分类,4 有机太阳能电池,半透明金属电极层（或ITO）,有机层,金属电极层,光照,单层太阳电池结构图,Glass,单层太阳电池原理图,:workfunction,:electron affinity,IP:ionisation potential,Eg:optical bandgap.,有机太阳能电池分类,1.单层太阳能电池（肖特基型）,4 有机太阳能电池,此种结构在1986年，由柯达公司的C.W.Tang 首先提出提出(ITO/CuPc/PV/Ag)，其电池转换效率约为1%。,阴极,A,D,Glass,阳极,光照,双层太阳电池结构图,D：给体A：受体,双层太阳电池原理图,有机太阳能电池分类,2.双层太阳能电池,4 有机太阳能电池,阴极,DA,Glass,阳极,光照,体掺杂太阳电池结构图,体掺杂太阳电池原理图,有机太阳能电池分类,3.体掺杂型太阳能电池,4 有机太阳能电池,给体材料受体材料,PC70BM,有机太阳能电池分类,3.体掺杂型太阳能电池常用材料,4 有机太阳能电池,材料的吸收和带宽,激活层的表面形貌,材料中载流子(电子和空穴)的迁移率,电极的功函数,有机太阳能电池效率影响因素,4 有机太阳能电池,给体和受体材料比例的影响器件的退火影响溶剂的影响结构优化电极接触界面的影响,体掺杂型太阳能电池的优化,4 有机太阳能电池,1.给体和受体材料比例的影响,研究发现混合层中给体和受体材料的比例直接影响活性层中两相的相分离大小。在P3HTPCBM体异质结太阳能电池中,P3HT链-相互作用一些.当PCBM的浓度低于47%的时候,不能形成有效的电子传输路径;而当PCBM 的浓度高于60%以后,PCBM的聚集形成大尺寸晶粒会降低电子的输运和破坏有机层/电极的界面.P3HTPCBM体系的最佳比例是1:0.81:1。,CHIRVASE D,et al.J.Nanotechnology,2004,15:131721323,体掺杂型太阳能电池的优化,4 有机太阳能电池,2.退火对器件影响,Voc=0.65 V,Jsc=3.86 mAcm2 FF=0.34,=1.11%.,Voc=0.6 V,Jsc=11.1mAcm2 FF=0.54=4.9%,155,处理5min,结构：ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al,Marisol Reyes-Reyes,Kyungkon Kim,and David L.Carrolla,APPLIED PHYSICS LETTERS 87,083506(2005),体掺杂型太阳能电池的优化,4 有机太阳能电池,Solvent annealed,Fast drying,P3HT:PCBM 的AFM,纳米微结构的形成,4 有机太阳能电池,Fast drying film,20 minutes drying time,不同时间后干燥的太阳能电池特性,4 有机太阳能电池,注意 IPCE 600 nm 的衰退 在P3HT 吸收,600 nm 对应链间的相互作用(-堆垛)PCE=4-5%,20 min drying time,Fast drying film,外量子效率,4 有机太阳能电池,3.溶剂的影响,1Youngkyoo Kim,et al.APL,86,063502(2005)2LI G,et al.Nature Materials,2005,4:8642868.,JVof the CB(a)and DCB(b)devices:(1)Solid lines-softbaked at 50 for 15 min(2)dashed lines-annealed at 140 for 15 min(CB)and 30 min(DCB)in a nitrogen,在体异质结结构太阳能电池中,由于溶解性、溶剂的极性、挥发性等的不同,采用不同的溶剂成膜直接影响活性层中两相的和薄膜的微观形态.目前的有机太阳能电池中比较常见的溶剂主要是甲苯、氯苯(CB)、二氯苯(DCB)1和氯仿等。而且溶剂的挥发速度对于电池性能也有很大的影响2。,体掺杂型太阳能电池的优化,4 有机太阳能电池,4.结构优化,阴极,N,P,Glass,阳极,I,光照,P-I-N型太阳电池结构图,P层：空穴传输层（HTL）I层：电子传输层（ETL）,4.1 加入电子和空穴传输层,B.Maennig et al.，Applied Physics A.DOI:10.1007/s00339-003-2494-9,体掺杂型太阳能电池的优化,4 有机太阳能电池,4.2 叠层太阳能电池,阴极,Active layer,Active layer,Glass,中间层,阳极,光照,叠层太阳电池结构图,叠层太阳电池的一大特点是高电压小电流，即其总的开路电压近似等于各个单层电池的开路电压之和，而短路电流则等于各个电池中短路电流最小值，所以在叠层太阳能电池设计时顶层和底层电池的电流匹配是关键因素。,体掺杂型太阳能电池的优化,4 有机太阳能电池,Jsc=7.8 mA/cm,Voc=1.24 V,FF=0.67,=6.5%.,Efficient Tandem Polymer Solar Cells Fabricated by All-Solution Processing，Jin Young Kim,et al.，Science 317,222(2007);,体掺杂型太阳能电池的优化,4 有机太阳能电池,5.电极接触界面的影响,在有机太阳能电池中，与活性层(有机物)接触的电极对电池的性能有极大的影响，所以要对其进行相应的处理 一般常用的阴极和阳极材料分别为Al和ITO。,1A.B.Djuris et al.,J.Appl.Phys.93,54725479(2003).2BRABEC C J,et al.J.Appl Phys Lett,2002,80(7):128821290.,图1.ITO表面的处理1,图2.加入薄层的影响2,体掺杂型太阳能电池的优化,4 有机太阳能电池,还有就是在Al与活性层之间加入光学层来改变活性层中场强分布,Jin Young Kim et al.，Adv.Mater.2006,18,572576,A.J.Heeger利用溶胶-凝胶方法在P3HTPCBM和Al电极之间引入一层TiOx 间隔层来调节光场强度的空间分布。,体掺杂型太阳能电池的优化,4 有机太阳能电池,虽然有机太阳能电池具有廉价、易于加工、可大面积成膜等优点，但与无机硅太阳电池相比，在转换效率、光谱响应范围、电池的稳定性方面，有机太阳电池相比无机还有很大的差距。分析原因主要是由于：(1)有机物材料本身所具有的缺陷。高分子材料大都为无定型，即使有结晶度，也是无定型与结晶形态的混合，分子链间作用力较弱。使得高分子材料载流子的迁移率一般都很低。高分子材料的禁带宽度Eg相较于无机半导体材料要大的多。有机高分子的光生载流子不是直接通过吸收光子产生，而是先产生激子，然后再通过激子的离解产生自由载流子，这样形成的载流子容易成对复合，最后使光电流降低。,存在的问题及原因,4 有机太阳能电池,共轭聚合物掺杂均为高浓度掺杂。这样虽然能保证材料具有较高的电导率，但载流子的寿命与掺杂浓度成反比，随着掺杂浓度的提高，光生载流子被陷阱俘获的概率增大，导致电池的光电转换效率很小。有机物本身易与水和空气起反应，以及其光化学稳定性较差都是影响其效率的重要因素。（2）光伏器件制作工艺 电极的选取；半导体表面和前电极的反射；掺杂层复合材料相分离的互穿网络的微观结构；制作过程中的氧气和水分的影响以及器件的封装。,存在的问题及原因,4 有机太阳能电池,太阳能电池的发展方向,材料与器件结构的研究与开发各种太阳能电池材料研究杂质与缺陷的转换效率及稳定性影响使用薄膜技术和剥离技术。大规模生产技术的开发跟踪与聚光储电及并网发电结合并网发电已占50%以建成多个兆瓦级的电站，100MW规模VS太阳能热发电站与建筑物结合架设太阳电池组件日本：1994-2000年 2万套屋顶光伏系统185MW；七万屋顶计划 280M美国：19972010年 百万屋顶计划 3025MW 发电成本6美分集成在建筑材料上曲线形屋顶瓦、垂直幕墙、窗用玻璃,太阳能电池在航天技术发展中有着不可替代的作用。由于材料与器材结构的研究与开发,太阳电能池的地面应用的潜在能力得到了发挥。从微观上认识光伏太阳能电池的本质，开展原位表征和超快时间分辨技术研究光生电子的迁移传输规律，为人们设计较高光电转换效率的半导体材料及染料敏化剂提供理论指导。太阳能的开发利用是人类进入21世纪必须解决的难题。太阳能电池作为清洁太阳能转换装置将有利于缓解世界的能源危机和环境污染问题。太阳能电池的研究有着重要的意义。,III-V族化合物及铜铟硒等系由稀有元素所制备，但从材料来源看，这类太阳能电池将来不可能占据主导地位。另两类电池纳米晶太阳能电池和聚合物修饰电极太阳能电池，它们的研究刚刚起步，短时间内不可能替代硅系太阳能电池。从转换效率和材料的来源角度讲，多晶硅和非晶硅薄膜电池将最终取代单晶硅电池，成为市场的主导产品。今后研究的重点除继续开发新的电池材料外应集中在如何降低成本上来，近来国外曾采用某些技术制得硅条带作为多晶硅薄膜太阳能电池的基片，以达到降低成本的目的，效果还是比较理想的。,太阳能电池的发展方向,Simple Direct Drive PV System,太阳能电池的发展方向,