有机聚合物太阳能电池

•一、有机聚合物太阳能电池的原理•二、有机聚合物太阳能电池的结构•三、有机聚合物太阳能电池的制造工艺•四、有机聚合物太阳能电池的优势和发展前景•参考文献目录一、有机聚合物太阳能电池的原理•广泛的讲有机聚合物太阳能电池主要是利用有机高聚物来直接或间接将太阳能转变为电能的器件。•有机太阳能电池材料：根据电荷的传输有机空穴传输材料（P型,电子给体简称为D，即Donor）有机电子传输材料（N型，电子受体，简称为A，即Acceptor）•对于无机太阳能电池，光电流产生过程研究成熟，而有机半导体体系的光电流产生过程有很多值得商榷的地方，也是目前研究的热点内容之一，在光电流的产生原理方面，很多是借鉴了无机太阳能电池的理论(比如说其能带理论)，但是也有很多其独特的方面。•一般认为有机聚合物太阳电池的光电转换过程包括[1]：(A)活跃层吸收光子，产生一个激发态或激子(结合的电子-空穴对)(B)激子然后扩散到一个地区(C)它解离为一个电子和一个空穴。(D)分离电荷是运送到各自的电极,即电子阴极和空穴阳极。转换过程和损失机制如右图[2]与无机异质结电池区别：1、自由的电子和空穴2、内置电场下的电子和空穴移动3、扩散长度长1、激子连接紧密，界面分离2、载流子经由电荷在不同分子间“跳跃”机理实现，载流子迁移率低3、激子寿命短，扩散长度短，10nm二、有机聚合物太阳能电池的结构基于肖特基接触与铝接触的单层器件原理图[3]这种单层器件激子的分离效率低。光激发形成的激子，只有在肖特基结的扩散层内，依靠节区的电场作用才能得到分离。而有机染料内激子的迁移距离相当有限，通常小于10nm。•第一个有机光电转化器件是由Kearns和Calvin在1958年制备的[3]，其主要材料为酞菁镁(MgPc)染料，染料层夹在两个功函数不同的电极之间。在该器件上，他们观测到了200mV的开路电压，但光电转化效率非常低。1、单层结构1986年，柯达公司的邓青云博士制备了四羧基苝的一种衍生物（PV）和酞菁铜（CuPc）组成的双层膜异质结器件，用两种有机半导体材料来模仿无机异质结太阳能电池，光电转化效率达到1％左右[4]。双层异质结结构的有机太阳能电池，是由给体和受体两种材料组成活性层。器件结构如右图所示：这种结构将内建场存在的结合面与金属电极隔开，有机半导体和电极的接触为欧姆接触，形成异质结的D/A界面为激子的解离阱。图中我们可以看到，在D/A接触面，存在内建电场，于是在这个薄层中，库伦势能可以用于激子分离，产生的电子和空穴分别被电极收集，形成了光电流。双层结构的有机太阳能电池原理图2、双层结构3、体异质结结构为了解决双层异质结结构的太阳能电池中的关键性问题，即D/A接触面小的问题，我们采用了把给体受体材料同时溶于有机物，再制成薄膜方法，制成了所谓的体异质结结构（给体受体电荷互穿网络结构）1995年，Heeger小组制得了MEH-PPV：C60互穿网络结构的体异质结太阳能电池，能量转换率为2．9％[5]，器件性能与多层膜结构相比有了大幅提高。•旋涂(Spincoating)原理：旋转涂敷法的工作原理是高速旋转基片，利用离心力使得滴在基片上的溶液均匀的涂在基片上，溶剂挥发，留下溶质形成均匀的薄膜，其厚度则根据不同溶液和基片问的粘滞系数而不同，也和旋转的速度和时间有关。•工具：台式匀胶机（如右图）三、有机聚合物太阳能电池的制造工艺1、旋涂技术•真空蒸镀(ThermalEvaporating)原理：真空蒸镀法是物理气象沉积方法中的一种，基本原理是在真空中运用电阻大电流加热的方法，采用钨，钼，铂等高溶点化学性能稳定的金属，加工成为适当形状的加热源，或加上石英舟使加热更均匀，在上面装入所需蒸镀的材料，利用电流的热效应使加热器温度达到材料蒸发的温度，使镀膜材料气化，并在一定条件下使气化的原子或分子牢固地凝结在所需蒸镀的基片上形成薄膜。2、真空蒸镀技术各种加热源真空镀膜机•热退火是指在真空干燥的条件下，将基片缓慢加热到高于或低于临界点(通常为聚合物的玻璃化转变温度)，保持一定时间，随后以适宜速度冷却，从而获得接近平衡状态的组织和性能的一种热处理工艺。3、热退火技术•有机聚合物太阳能电池器件在退火处理后，薄膜在纳米尺度内的形貌规整程度得到提高，半导体聚合物的结晶度也有所增加，同时改善了电极与光敏层薄膜的接触，这些改进有助于载流子的产生、转移及电荷在电极处的收集，从而降低了聚合物太阳电池的串联电阻，提高了器件的光电转换效率。•喷雾涂布（Spray-coating）通过喷枪或碟式雾化器，借助于压力或离心力，分散成均匀而微细的雾滴，施涂于被涂物表面的涂装方法。•喷涂作业需要环境要求有百万级到百级的无尘车间，喷涂设备有喷枪，喷漆室，供漆室，固化炉/烘干炉，喷涂工件输送作业设备，消雾及废水，废气处理设备等。4、喷雾涂布技术•丝网印刷基本原理是：利用丝网印版部分网孔透油墨，部分网孔不透墨的基本原理进行印刷。印刷时在丝网印版一端上倒入油墨，用刮印刮板在丝网印版上的油墨部位施加一定压力，同时朝丝网印版另一端移动。油墨在移动中被刮板从图文部分的网孔中挤压到承印物上。•由于油墨的粘性作用而使印迹固着在一定范围之内，印刷过程中刮板始终与丝网印版和承印物呈线接触，接触线随刮板移动而移动，由于丝网印版与承印物之间保持一定的间隙，使得印刷时的丝网印版通过自身的张力而产生对刮板的反作用力，这个反作用力称为回弹力。由于回弹力的作用，使丝网印版与承印物只呈移动式线接触，而丝网印版其它部分与承印物为脱离状态。使油墨与丝网发生断裂运动，保证了印刷尺寸精度和避免蹭脏承印物。4、丝网印刷技术5、狭缝挤压涂层刷技术狭缝挤压涂布层印刷技术是当今效率最高有机太阳能电池印刷技术包括，涂布液储存罐；泵，用于将涂布液储存罐里的涂布液通过供给管路压送到喷嘴处；控制部，用于控制泵及喷嘴的的工作，压力检测部，用于检测管路压力，当压力达到预定压力条件时喷嘴排除涂布液。技术来自东丽工程株式会社工艺流程简图超净间狭缝式涂布机工作流程印刷好的电池薄膜•（1）东丽工程株式会社2013年9月20日宣布，该公司的“聚合物有机薄膜太阳能电池”达到了全世界最高的10.6%的转换效率。当天，该公司在“第74届应用物理学会秋季学术演讲会”（2013年9月16日～20日）上公开了该电池的详细情况。•据东丽介绍，该太阳能电池在电子供体方面使用了自主开发的噻吩类高分子材料“polymer-1”。另外，还使用C70衍生物“PC70BM”作为电子受体（相当于n型半导体）。polymer-1的HOMO（最高占用分子轨道）能级为-5.1ev，带隙为1.58ev。载流子迁移率约为1.0×10-2cm2/Vs，高于原来使用的电池供体材料。四、有机聚合物太阳能电池的优势和发展前景1、大规模生产的最高纪录器件测量参数图•（2）有机光伏薄膜领域的行业领先企业HeliatekGmbh今天宣布，该公司有机光伏电池的电池效率达到了创纪录的12.0%。这一世界纪录是Heliatek公司与乌尔姆大学、德累斯顿工业大学共同努力的成果，著名测试机构SGS对其进行了测试和验证。•这种有机光伏电池在1.1平方厘米的标准面积上达到12.0%的高效率，它同时采用了两种获专利的吸收材料，可转换不同波长的日光。采用两种不同的吸收材料有助于提高光子吸收力，并可通过更高的光电压提高能量利用率。由于OPV在高温和弱光条件下的独特表现，其12%的破纪录效率与传统光伏技术（如晶体硅和薄膜光伏电池）达到的14%到15%的效率相当。在温度逐渐升高和太阳能辐射逐渐减弱的情况下，这些传统技术的电池效率将明显下降，相比而言，有机电池在同等条件下却能提高效率，从而可在现实环境中实现高得多的能源收集率。•Heliatek的OPV技术目前正在转入商业生产。第一条生产线于2012年春正式启动，而且Heliatek已将光伏薄膜提供给行业合作伙伴进行产品开发。整合了Heliatek光伏薄膜并将其用作能源收集组件的第一批合作伙伴应用预计将于2013年晚些时候投入商用市场。•（1）制备工艺相对简单，制作时消耗能量少•（2）环保性好，其构成成分均为容易处理的材料•（3）适应性强，高温和弱光条件下的优异•（4）可制成半透明器件，柔性器件等等形式灵活多样的器件•（5）有机物来源广泛，效率提升潜力大2、有机太阳能电池的优势3、有机太阳能电池的劣势•（1）有机材料载流子迁移率低•（2）能量转换效率有待提高•（3）器件寿命短•（4）目前无法实现大规模商业化•（5）难于大规模并网发电•有机聚合物太阳能电池的应用前景可表现在：•可穿戴光伏设备（突出的柔性特点，环保特性），•楼宇的玻璃幕墙（需要一定量光透过，又能利用剩余太阳能资源），•条件比较极端的应用场景（高温，弱光等），•便携式小型太阳能设备（材料轻薄）•仿生学应用（例如自然界中光合作用第一步光反应的能量转换效率高达42%，可以人工合成这种酶，用以大幅度提高光伏器件效率）4、有机聚合物太阳能电池的前景参考文献•[1]LiaoKS,YambemSD,HaldarA,EtAl.DesignsAndArchitecturesForTheNextGenerationOfOrganicSolarCells[J].Energies,2010,3(6):1212-1250.•[2]B.R.Weinberger,S.C.Gau,Z．Kiss，Apolyacetylene:aluminumphotodiode[J]，Appl.Phys.Lett.，1981，38：555-557．•[3]雷德生.C,60和PCBM共掺P3HT体异质结太阳能电池的研究[D].2009.•[4]TangCW.Two‐layerorganicphotovoltaiccell[J].AppliedPhysicsLetters,1986,48(2):183-185.•[5]YuG,GaoJ,HummelenJC,etal.PolymerPhotovoltaicCells:EnhancedEfficienciesviaaNetworkofInternalDonor-AcceptorHeterojunctions[J].Science,1995,270(5243):1789-1791.