國 立 清 華 大 學
碩士論文
有機共軛高分子太陽電池之多層P-I-N 結構設計與製程研究
Design, fabrication and investigation of
multilayered p-i-n conjugated
polymer based solar cells
系所別：電子工程研究所碩士班
研究生：莊啟宏 (Chi-Hung Chuang)
指導教授：洪勝富教授(Prof. Sheng-Fu Horng)
孟心飛教授 (Prof. Hsin-Fei Meng)
中華民國九十七年六月
有機共軛高分子太陽電池之多層P-I-N結構設計
與製程研究
學生：莊啟宏指導教授：洪勝富教授
孟心飛教授國立清華大學電子工程研究所碩士班
摘要
有機共軛高分子太陽電池具有製程簡易，可製作大面積，質量輕且可撓曲等優點，故能製作出低成本之太陽電池。然而，溶液互溶是在製作有機高分子太陽電池多層結構時最主要的問題之一。本研究分別以高溫烘烤、旋轉潤濕、及緩衝層技術解決此問題。結果發現以丙二醇當緩衝層之技術，能降低溶液互溶的問題，並提高多層結構元件的效率。
本研究以P3HT（poly(3-hexythiophene)）及PCBM（[6,6]-phenyl C61-butyric acid methyl ester）混合(blend)為主動層材料。改良原本的塊材異質接面(bulk heterojunction)結構。在P3HT：PCBM(I layer)比例1:1 wt的主動層之前，旋轉塗佈P3HT比例高的主動層(P layer)在陽極端，之後在陰極端加上P3HT比例少的主動層(N layer)。這種漸層分佈混合材料的結構，同時具有激子（exciton）分離區域面積較大的好處以及較佳的載子傳輸效率，能夠有效地提高太陽電池效率。
研究結果成功地製作出雙層結構元件以及P3HT-rich/blend/PCBM-rich之多層P-I-N結構，發現此結構能抑制操作電壓附近的暗電流，有效降低復合電流。從電路模型的參數萃取觀察到並聯電阻(shunt resistance, Rsh)的增加，使得操作電壓較高及FF的增加。能量轉換效率從2.46%提高到3.35%。
此緩衝層技術對製作多層結構或是串接（tandem）結構提供一個新的方法，其降低漏電流及復合電流的優點，將來可應用在製作大面積元件，而改善大面積化之後，更嚴重的漏電流及復合電流。
關鍵詞：溶液製程、緩衝層、多層、P-I-N結構
Design, fabrication and investigation of
multilayered p-i-n conjugated
polymer based solar cells
Student：Chi-Hung Chuang Advisor：Prof. Sheng-Fu Horng
Prof. Hsin-Fei Meng Institute of Electronics Engineering
National Tsing Hua University
Abstract
Polymer solar cells (PSCs) exhibit many advantages such as processing feasibility, capability of scaling up to large area, light weigh and flexibility. Thus we can fabricate cost-effective solar cells. However, mutual dissolution is one of the main problems for achieving PSCs with multilayer structure. In this work, we solve the problem by high temperature baking, spin-rinsing and buffer layer technique. The results show that this buffer layer technique with glycol would reduce the mutual dissolution problem and enhance the efficiency of multilayer structure devices.
We use blending of P3HT and PCBM as active material in our study. Our main research is to modify the conventional bulk heterojunction (BHJ) structure with buffer layer technique. We spin an extra P3HT-rich layer (P layer) near the anode before a normal layer with 1:1 wt of P3HT/PCBM (I layer) being deposited and insert an extra P3HT-poor layer (N layer) near the cathode. The gradually-distributed active layer allow for efficient exciton separation and better carrier extraction at the same time.
Therefore, this leads to a better PCE of PSCs.
We successfully demonstrated bi-layer structure devices and multilayer p-i-n structure of P3HT-rich/blend/PCBM-rich in our study. The result shows that the dark current near operating voltage is suppressed. Besides, the recombination is significantly decreased. From the parameters extracted form the circuit model, an increased shunt resistance (Rsh) is observed. This increased Rsh lead to a higher operating voltage and thus an increased FF. The power conversion efficiency with
P-I-N structured is enhanced from 2.46% to 3.35%!
The buffer layer technique can be used as a new approach for fabrication of multilayer PSCs or tandem cells. Besides, the P-I-N structure is benefiting for lowering the leakage current and recombination current. This has potential of being applied in fabrication of large-area PSCs which usually have more leakage path and higher recombination current.
key words：solution-process、buffer laye r、multilayer、p-i-n structure
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實驗室中，優秀的華賢學長與風趣的家銘學長，研究做得ㄧ把罩，在學業上與生活上提供經驗，有時也會跟我們開開玩笑，讓實驗室氣氛相當融洽。明錕學長分析有條有理，在實驗研究上更是給予我相當多的想法和幫助，非常感謝你當初介紹我進來。仁君學姊的關懷及小故事，讓我倍感溫馨。同組的澤邦、智聖、婉真，是一起在實驗上努力的好伙伴。團體事物的處理，澤邦總熱心為大家服務，不管學業或生活方面也常給我建議。智聖在各方面優異的表現，也讓我學到很多。
婉真我答應妳要給妳一段的。很高興能跟妳同一時段做實驗，不管實驗上生活上真的都讓我學習很多。感謝妳在我陷入PEDOT擦邊地獄時，幫我解決擦邊，否則我實驗的時間可能會多很多；感謝妳在我身體不適時，幫我收拾殘局，要不然我想做都做不到。在辛苦的實驗過程，多虧有妳幫忙才能讓我實驗順利。我想，曾與妳一起奮鬥成長是很幸運的！
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最後要感謝父母多年來的栽培，特別是母親，姊姊和妹妹。有她們的支持和鼓勵，才能順利完成碩士學位，我將與她們ㄧ同分享。要謝的人太多，就謝天吧！
中文摘要------------------------------------------------------------------------------------------I 英文摘要-----------------------------------------------------------------------------------------II 致謝----------------------------------------------------------------------------------------------IV 目錄----------------------------------------------------------------------------------------------V 圖目錄-----------------------------------------------------------------------------------------VIII 表目錄-------------------------------------------------------------------------------------------XI
第一章 序論------------------------------------------------------------------------------------1
1.1研究背景-------------------------------------------------------------------------1
1.1.1 前言----------------------------------------------------------------1
1.1.2 太陽電池的產業發展-------------------------------------------2
1.1.3 有機太陽電池發展歷史----------------------------------------3
1.2研究動機-------------------------------------------------------------------------5
1.2.1 有機共軛高分子太陽電池的優勢----------------------------5
1.2.2 為何製作多層P-I-N結構--------------------------------------6
1.2.3 多層P-I-N結構文獻回顧--------------------------------------8
1.3論文架構-------------------------------------------------------------------------9
第二章 實驗原理----------------------------------------------------------------------------10
2.1 太陽電池基本原理與參數--------------------------------------------------10
2.1.1 太陽電池基本原理---------------------------------------------10
2.1.2 太陽電池元件參數---------------------------------------------13
2.1.3 太陽電池機制---------------------------------------------------17
2.2 材料特性與選擇--------------------------------------------------------------21
2.2.1 有機高分子材料簡介------------------------------------------21
2.2.2 donor 材料：P3HT--------------------------------------------23
2.2.3 acceptor 材料：C60/PCBM----------------------------------23
2.2.4 電洞傳輸層及電極選擇---------------------------------------25
2.2.5 溶劑特性與選擇------------------------------------------------26
2.3 有機共軛高分子太陽電池的元件結構與能帶圖-----------------------27
2.3.1 能帶理論---------------------------------------------------------27
2.3.2 元件結構與能帶圖---------------------------------------------30
2.4 有機共軛高分子載子傳輸理論--------------------------------------------31
第三章 實驗方法與流程-------------------------------------------------------------------35
3.1 ITO 基板圖樣化------------------------------------------------------------35
3.2 ITO 基板清洗---------------------------------------------------------------36
3.3 高分子層之成膜--------------------------------------------------------------37
3.3.1 PEDOT：PSS層之成膜-------------------------------------37
3.3.2 主動層溶液的配置---------------------------------------------38
3.3.3 主動層之成膜---------------------------------------------------38
3.4 陰極蒸鍍-----------------------------------------------------------------------39
3.5 封裝-----------------------------------------------------------------------------39
3.6 量測系統-----------------------------------------------------------------------40
3.7 多層元件的製程--------------------------------------------------------------40
3.7.1 多層元件的概念------------------------------------------------40
3.7.2 緩衝層材料------------------------------------------------------41
3.7.3 緩衝層使用方法------------------------------------------------41
第四章 實驗結果與討論-------------------------------------------------------------------43
4.1 雙層結構元件測試-----------------------------------------------------------43
4.1.1 高溫烘烤與旋轉潤濕製作P3HT/blend雙層結構--------43
4.1.2 blend/C60雙層結構--------------------------------------------53
4.2 利用緩衝層技術製作雙層元件--------------------------------------------59
4.2.1 以緩衝層技術製作雙層結構---------------------------------59
4.2.2 應用不同溶劑製作雙層結構---------------------------------60
4.3 多層P-I-N結構---------------------------------------------------------------64
4.3.1 P3HT/blend/C60多層P-I-N結構---------------------------64
4.3.2 P3HT-rich/blend/PCBM-rich 多層P-I-N結構-----------66
4.3.3多層P-I-N結構元件特性討論--------------------------------71
第五章 結論與未來發展-------------------------------------------------------------------79 參考文獻----------------------------------------------------------------------------------------80
圖目錄
第一章
圖 1-1 未來各種能源使用量預測-----------------------------------------------------------1 圖 1-2 染料敏化太陽電池操作原理--------------------------------------------------------4 圖 1-3 有機太陽電池結構演進--------------------------------------------------------------7 圖 1-4 小分子太陽電池多層P-I-N結構---------------------------------------------------8 第二章
圖 2-1 傳統無機太陽電池PN接面-------------------------------------------------------10 圖 2-2 激子受空乏區內建電場分離------------------------------------------------------10 圖 2-3 理想太陽電池之等效電路---------------------------------------------------------11 圖 2-4 理想太陽電池照光I-V特性曲線-------------------------------------------------11 圖 2-5 實際太陽電池之等效電路---------------------------------------------------------12 圖 2-6 理想和實際太陽電池照光I-V特性曲線----------------------------------------12 圖 2-7 實際太陽電池照光後I-V特性曲線及元件參數--------------------------------15 圖 2-8 改變不同串、並聯電阻下的太陽電池I-V特性曲線--------------------------16 圖 2-9 短路情況下的有機太陽電池元件機制------------------------------------------18 圖 2-10 Type II的能帶圖------------------------------------------------------------------19 圖 2-11 太陽光譜圖--------------------------------------------------------------------------21 圖 2-12 聚乙炔(polyacetylene, PA)與聚噻吩(polythiophene, PT)結構圖-----------22 圖 2-13 P3HT結構圖-----------------------------------------------------------------------23 圖 2-14 C60與PCBM結構圖-------------------------------------------------------------24 圖 2-15 P3HT與PCBM之吸收光譜----------------------------------------------------24 圖 2-16 PEDOT：PSS結構圖-------------------------------------------------------------25 圖 2-17 1, 2-dichlorobenzene結構圖------------------------------------------------------26 圖 2-18 toluene結構圖----------------------------------------------------------------------27
圖 2-19 金屬與無機半導體材料形成界面時的能帶圖--------------------------------28 圖 2-20 有機半導體簡易能帶圖畫法-----------------------------------------------------29 圖2-21 多層P-I-N結構之一----------------------------------------------------------------30 圖2-22 多層P-I-N結構之二----------------------------------------------------------------30 圖 2-23 多層P-I-N結構能帶示意圖------------------------------------------------------31 圖 2-24 熱離子發射理論示意圖-----------------------------------------------------------33 圖2-25 Fowler-Nordheim穿遂效應示意圖---------------------------------------------34 第三章
圖 3-1 ITO玻璃圖樣化示意圖------------------------------------------------------------36 圖 3-2 PEDOT：PSS成膜示意圖--------------------------------------------------------37 圖 3-3 主動區成膜示意圖------------------------------------------------------------------38 圖 3-4 陰極蒸鍍示意圖---------------------------------------------------------------------39 圖 3-5 元件封裝示意圖---------------------------------------------------------------------39 圖 3-6 量測系統示意圖---------------------------------------------------------------------40 圖 3-7 丙二醇的化學結構式---------------------------------------------------------------41 圖 3-8 以緩衝層技術製作雙層元件------------------------------------------------------42 第四章
圖 4-1 blend單層與P3HT/blend雙層不同轉速及rinse之照光I-V曲線----------45 圖 4-2 blend單層與P3HT/blend雙層@3000rpm照光I-V曲線-------------------45 圖 4-3 不同的烘烤時間＠P3HT 3000rpm------------------------------------------------47 圖 4-4 不同的烘烤時間＠P3HT 450rpm-------------------------------------------------47 圖 4-5 不同轉速的DCB rinse--------------------------------------------------------------48 圖 4-6 DCB spin rinse @P3HT 3000rpm------------------------------------------------49 圖 4-7 綜合較佳條件------------------------------------------------------------------------50 圖 4-8不同處理條件的P3HT層的差異-------------------------------------------------52 圖 4-9 先以DCB rinse的影響之一-------------------------------------------------------52
圖 4-10 先以DCB rinse的影響之二------------------------------------------------------53 圖 4-11 不同C60厚度＠主動層450rpm的照光I-V曲線-----------------------------55 圖 4-12 不同C60厚度＠主動層700rpm的照光I-V曲線-----------------------------55 圖 4-13 不同C60厚度＠主動層1000rpm的照光I-V曲線----------------------------56 圖 4-14 不同主動層轉速@C60 1nm-------------------------------------------------------57 圖 4-15 不同主動層轉速@C602nm-------------------------------------------------------57 圖 4-16 不同主動層轉速@C603nm-------------------------------------------------------58 圖 4-17 單層元件與雙層元件的照光I-V曲線圖---------------------------------------60 圖 4-18 不同溶劑雙層元件比較之照光I-V曲線---------------------------------------62 圖 4-19 不同溶劑雙層元件比較之順偏照光I-V曲線---------------------------------62 圖 4-20 DCB P-I-N 四種結構的照光曲線---------------------------------------------65 圖 4-21 DCB P-I-N 四種結構的吸收---------------------------------------------------65 圖 4-22 P-I-N結構中不同N層的比較-------------------------------------------------67 圖 4-23 不同轉速的P-I-N結構------------------------------------------------------------69 圖 4-24 不同轉速的P-I-N結構比較＠工三地下室------------------------------------70 圖 4-25 不同轉速的P-I-N結構比較＠ITRI---------------------------------------------71 圖 4-26 P-I-N與I結構比較---------------------------------------------------------------72 圖 4-27 P-I-N結構照光I-V特性及效率------------------------------------------------73 圖 4-28 P-I-N結構暗電流特性-----------------------------------------------------------73 圖 4-29 Jph對Vo-V作圖之I-V特性曲線---------------------------------------------74 圖 4-30 I之Jph- Veff曲線-----------------------------------------------------------------75 圖 4-31 P-I-N之Jph- Veff曲線-----------------------------------------------------------75 圖 4-32 參數粹取電路模型---------------------------------------------------------------76 圖4-33 參數f(v)之對數I-V特性曲線--------------------------------------------------78
表目錄
表 1-1 各種太陽電池效率比較--------------------------------------------------------------3 表 1-2 有機太陽電池比較--------------------------------------------------------------------6 表 3-1 丙二醇黏度與溫度關係表---------------------------------------------------------41 表 4-1 不同主動層轉速及C60厚度之參數比較-----------------------------------------58 表 4-2 不同溶劑雙層元件之參數比較---------------------------------------------------63 表 4-3 P-I-N四種結構元件參數比較----------------------------------------------------77
第一章序論
1.1 研究背景
1.1.1 前言
近年來由於開發中國家工業蓬勃發展，對於石油、煤、天然氣等能源需求急速增加，在天然資源原本供不應求的情況，更顯得雪上加霜。石油短缺對民生直接造成衝擊，物價也隨石油價格上升，許多原物料也供應吃緊，能源危機引發糧食問題，將是未來地球所要面臨的重大考驗。此外，使用這些能源排放過多的二氧化碳也造成全球暖化問題，氣候異常變化1。因此，在面臨能源不足及污染的同時，加上「京都協議書」限制二氧化碳排放量也於2008年生效，促使各國積極投入大量的人力和資源來尋找替代能源。而太陽能擁有安全、便利、乾淨無污染而且取之不盡，用之不竭等特性，為目前最熱門且未來極具潛力的替代能源（圖1-1）。
圖 1-1 未來各種能源使用量預測
1.1.2 太陽電池的產業發展
太陽電池元件的發展，可追溯到1954年，貝爾實驗室發展出第一個無機太陽電池2元件，利用矽（silicon, Si）做為原料，但是元件的能量轉換效率（power conversion efficiency, PCE）僅6%。經過多年的努力，學術界已能做出能量轉換效率達24.7%的單晶矽（crystalline silicon, c-Si）太陽電池3。目前以矽為原料所製作的太陽電池元件，除了單晶矽太陽電池以外，尚有多晶矽（polycrystalline silicon, pc-Si）及非晶矽（amorphous silicon, α-S i）太陽電池等。台灣的半導體產業發達，以矽為製程的設備技術早已成熟，單晶矽與多晶矽太陽電池的製程技術可與半導體製程接軌，因此單晶矽及多晶矽太陽電池，生產技術與人才具有優勢，為當前無機太陽電池的主流。而雖然多晶矽太陽電池效率較單晶矽太陽電池稍差，但成本較低，故多晶矽太陽電池產量已逐漸超越單晶矽太陽電池。然而，上游原料結晶矽，往往需要與半導體晶圓廠競爭，而製作晶圓較符合經濟成本，因此對於以矽做原料的太陽電池無疑是一大阻礙。
非晶矽太陽電池則是在1976年由D. E. Carlson等人所提出4，是一種薄膜式的太陽電池，與單晶矽及多晶矽太陽電池的製作方式完全不同，具有大面積，低成本等特色，學界已達到14.5%的能量轉換效率5。此外，尚有使用化合物例如III-V 族（砷化鎵 GaAs）、II-VI族（碲化鎘 CdTe、硒化銦銅CuInSe2(CIS)）、硒化鎵銦銅CuInGaSe2(CIGS)）等材料的多層薄膜太陽電池，其中CIGS太陽電池實驗研究上可做到能量轉換效率達19.2%6（表1-1）。薄膜式太陽電池，過去已有多家廠商投入生產，未來數年有機會逐漸取代單晶矽與多晶矽太陽電池。
表 1-1 各種太陽電池效率比較7
矽化合物半導體有機半導體
單晶矽多晶矽非晶矽CdTe CIGS Organic DSSC
實驗室
24.7 20.3 16.6 16.519.2 5~6 10.4 轉換效率（%）
市場模組
15~16 14~15 6~8 ~11 9~11 N.A. N.A. 轉換效率（%）
太陽電池產業經過數十年的研究發展，雖然效率逐漸提高，成本也逐漸降
低，但以商業化的考量，成本仍然偏高，故研發新型低成本的太陽電池，將是未
來重要的趨勢。最近十多年來，有機半導體開始受到廣泛的矚目，與無機半導體
相似的光電特性，加以元件製程技術簡易，成本低廉，故已被投入相當多的研究。
在發光元件例如OLED（organic light-emitting-diode）與PLED（polymer
light-emitting-diode）的發展已日趨成熟，特別是OLED已邁入商業化的階段。而
有機太陽電池的發展，十幾年來，也讓元件的能量轉換效率達5~6%8,9，雖然距
離商業化的基本要求（PCE >10%）仍有一段路要走，但其製程簡易與低成本的
優點，仍然值得各界投入更多的人力與資源在這領域。
1.1.3 有機太陽電池發展歷史
有機太陽電池的研究，主要分為三個方向：
小分子太陽電池（molecular solar cells）
染料敏化太陽電池（dye-sensitized solar cells, DSSC）
高分子太陽電池（polymer solar cells, PSC）。
接下來將一一介紹：
小分子太陽電池在1986年由C. W. Tang提出10，這是首次使用雙層（bilayer）
異質接面（heterojunction）的結構，提高載子分離效率，其元件能量轉換效率達
1%。因有機小分子半導體不溶於有機溶劑，故利用真空蒸鍍的方法沉積小分子材料。常見的有機小分子有CuPc（copper-phthalocyanine）、C60等。
染料敏化太陽電池於1991年由 M. Gr?tzel 等人提出，其方法為利用感光性染料塗佈在多孔性的二氧化鈦上，並用電解液作為電洞傳導的媒介（圖1-2），製作出能量轉換效率7.1%的太陽電池11。此類電池一直被視為最可能商業化的有機太陽電池之一，但其元件內含電解液，封裝不易的問題，卻成為致命傷。多年來研究的主軸，圍繞在先讓元件中的電解質呈現半固態（quasi-solid-state）或固態（solid-state）的形式，再設法提高效率，然而，元件效率仍無法有效提升12。
圖 1-2 染料敏化太陽電池操作原理13
高分子太陽電池發展較晚，1994年，G. Yu及A.J. Heeger等人使用polymer/C60的混合（blend）製作太陽電池的主動層（active layer）14。這種塊材異質接面（bulk heterojunction, BHJ）的概念，使激子分離的區域不再侷限於雙層的異質接面，而是擴大到整個主動層，大幅提高激子分離的效率。也影響後來高分子太陽電池的研究，發展至今，有機高分子太陽電池在P3HT混合PCBM的系統下，最高能量轉換效率大約5~6%8,9。高分子太陽電池所使用的
材料為共軛高分子（conjugated polymer），因可溶於有機溶劑中，故常利用旋轉塗佈（spin coating）或噴墨印刷（ink-jet printing）的溶液製程技術製作。
1.2 研究動機
1.2.1 有機共軛高分子太陽電池的優勢
太陽電池若要商業化，元件的製作必須要成本低、效率高、穩定性高。無機太陽電池具備效率高與穩定性高的優點，但對於成本低的要求，卻無法克服。因此近十多年來，太陽電池元件的研究也慢慢地轉往有機材料上。
綜觀三種有機太陽電池：染料敏化太陽電池符合成本低、效率高、穩定性高的要求，但因元件內含電解液，造成封裝不易的難題，直接影響了在產品使用上的安全性及便利性。有機小分子太陽電池在製作上，需要真空蒸鍍的設備，製程較有機高分子太陽電池的旋轉塗佈方式複雜。而且無法製作大面積元件，對於商品化更是一大問題，故小分子太陽電池多應用在學術研究上。
相較之下，對於高分子太陽電池而言，具備以下幾個優點：
（1）製程簡單
有機高分子太陽電池製程為旋轉塗佈或噴墨印刷等技術，比起無機半導體的繁瑣製程簡單許多，商業化之後將可roll-to-roll生產，較簡易的製程及設備將節省大量的時間和成本。
（2）大面積
由於有機高分子太陽電池的製程為溶液製程（solution process），故可塗佈在大面積基板上，亦可利用刮刀（doctor-blade）成膜的方式製作大面積元件。唯目前刮刀技術所需控制的膜厚及均勻的問題仍待進一步研究。
（3）可撓曲
近幾年來，軟性電子隨著有機半導體的發展也逐漸引起各界注意，在OLE D、PLE D、TFT（thin film transistor）等領域已開始將元件製作在軟性基板上。而有
機高分子太陽電池也使用P I（polyimide）、PET（polyethylene terephthalate）等軟性基板，製作出可撓式的太陽電池15。可撓曲加上質量輕薄的好處，不僅設計上更有多樣性，還可製作不同的可攜式消費性電子產品。對於將來商業化的產品是一大優勢，在未來可望有更廣泛的應用。
表1-2為各種有機太陽電池的比較，有機高分子太陽電池可能是較有機會向前邁進發展的一個領域，即使目前效率距離商業化的要求，仍有一段差距。然而製程易、成本低、大面積、可撓曲，都是非常值得投入研究的優點。回顧眾多研究成果，大多著墨於高分子材料與製程的處理，未來則需從元件的結構切入，才能製作出更有效率的有機高分子太陽電池。
表 1-2 有機太陽電池比較
小分子太陽電池高分子太陽電池染料敏化太陽電池
使用材料有機小分子有機高分子染料(dye)、TiO2、電解液製程方法真空蒸鍍旋轉塗佈或噴墨印刷 TiO2燒結約450~500℃
元件結構陽極(ITO)/PEDOT:PSS/
Bilayer/陰極
陽極(ITO)/PEDOT:PSS/
Bulk heterojuntion/陰極
負極/染料-TiO2/電解液/
正極
優點1.製程簡單
2.製作成本低
1.製程簡單
2.製作成本低
3.可做大面積
4.可撓曲
1.效率高
2.穩定性高
缺點1.效率低
2.穩定性低
1.效率低
2.穩定性低
1.製程複雜
2.元件內含電解液，封
裝不易
1.2.2 為何製作多層P-I-N結構
有機高分子太陽電池結構的演進，是從一開始的單層結構走向雙層異質接面（heterojunction）結構，再演變成塊材異質接面（bulk heterojunction, BHJ）結構（圖1-3 (a)(b)(c)）。有機材料在照光之後會產生激子（exciton），是一具有束縛能（binding energy, Eb）的電子電洞對。在單層結構中，在常溫之下無法藉著熱
能分離成電子及電洞。而雙層heterojunction結構改善了這個問題：利用兩種不同材料的能帶差距（band gap offset），來幫助激子分離成電子及電洞。
圖 1-3 有機太陽電池結構演進16 (a)單層 (b)雙層 heterojunction
(c)bulk heterojunction (d) ordered bulk heterojunction
雙層heterojunction結構中的heterojunction雖然有助於激子的分離，而且讓分離後的載子可以直接被電極收集，但是激子分離的區域太少，只限於雙層界面附近，因此元件的功率轉換效率仍然不高。為了解決激子分離區域太少的問題，BHJ結構因應而生，大幅提高了元件的轉換效率。BHJ結構，是將兩種高分子材料依照某個比例混合（blend），盡量讓兩種材料體積比相近，接觸面積愈多愈好，提高在溶劑中的分散性，使得激子分離區域的面積大量增加。然而，BHJ結構仍然不盡完美，在激子分離成電子和電洞後，會有部分的載子（通常是電子）走到死路（dead end），而無法順利傳輸到電極，故BHJ結構有必要再調整，讓分離的載子能完全被電極收集。
更理想的元件結構應該是結合雙層heterojunction和BHJ兩種結構的概念，讓元件的主動層形成一具有排列性的漸進式bulk heterojunction結構，即（ordered bulk heterojunction）（圖1-3 (d)）。結合了雙層heterojunction 結構中，載子可以直接被電極收集的優點，以及bulk heterojunction 結構中，激子分離區域面積較大的好處，使得載子傳輸的效率得以大幅提升。
藉由這個概念，本研究論文將製作P-I-N多層的元件結構，以達到實現排列式塊材異質接面（ordered bulk heterojunction）結構的目的，而提高元件的效率。P層是指電洞遷移率高於電子遷移率的p型半導體材料，或是p型半導體比例較高的高分子層。N層則為電子遷移率高於電洞遷移率的n型半導體，或n型半導體比例較高的一層膜。I層代表標準比例1：1的單層BHJ高分子層。
1.2.3多層P-I-N結構文獻回顧
由於小分子太陽電池非溶液製程，沒有溶液互溶的問題。故早在1992年，多層結構的概念已應用在小分子太陽電池上17，目前較常見的多層P-I-N結構為CuPc/CuPc:C60/C60所構成（圖1-4）18，其中I層則是以共蒸鍍（co-deposition）的方法所製作。而高分子太陽電池，由於近年來，單層結構元件已發展至瓶頸，故串接結構（tandem）的研究也成為研究的重點之一。因此幾乎無單獨對單一元件之多層結構做研究，而是以一個高分子元件上面沉積一個小分子元件，中間鍍一層很薄金屬Au當中間層（interlayer）19。另外，高分子元件上疊加高分子元件，則需找到不會破壞或溶解高分子層的方法，像是使用溶解力稍弱的溶劑，或是加入分離層（separating layer）來避免互溶的問題20。
圖 1-4 小分子太陽電池多層P-I-N結構18
太阳能电池板的生产工艺流程 太阳能电池板的生产工艺流程 封装是太阳能电池生产中的关键步骤，没有良好的封装工艺，多好的电池也生产不出好的太阳能电池板。电池的封装不仅可以使电池的寿命得到保证，而且还增强了电池的抗击强度。产品的高质量和高寿命是赢得客户满意的关键，所以太阳能电池板的封装质量非常重要。 (1)流程 电池检测——正面焊接——检验——背面串接——检验——敷设(玻璃清洗、材料切割、玻璃预处理、敷设)——层压——去毛边(去边、清洗)——装边框(涂胶、装角键、冲孔、装框、擦洗余胶)——焊接接线盒——高压测试——组件测试——外观检验——包装入库。 (2)组件高效和高寿命的保证措施 高转换效率、高质量的电池片；高质量的原材料，例如，高的交联度的EVA、高黏结强度的封装剂(中性硅酮树脂胶)、高透光率高强度的钢化玻璃等； 合理的封装工艺，严谨的工作作风， 由于太阳电池属于高科技产品，生产过程中一些细节问题，如应该戴手套而不戴、应该均匀地涂刷试剂却潦草完事等都会严重地影响产品质量，所以除了制定合理的工艺外，员工的认真和严谨是非常重要的。 (3)太阳能电池组装工艺简介 ①电池测试：由于电池片制作条件的随机性，生产出来的电池性能不尽相同，所以为了有效地将性能一致或相近的电池组合在一起，所以应根据其性能参数进行分类；电池测试即通过测试电池的输出参数(电流和电压)的大小对其进行分类。以提高电池的利用率，做出质量合格的太阳能电池组件。如果把一片或者几片低功率的电池片装在太阳电池单体中，将会使整个组件的输出功率降低。因此，为了最大限度地降低电池串并联的损失，必须将性能相近的单体电池组合成组件。 ②焊接：一般将6～12个太阳能电池串联起来形成太阳能电池串。传统上，一般采用银扁线构成电池的接头，然后利用点焊或焊接(用红外灯，利用红外线的热效应)等方法连接起来。现在一般使用60％的Sn、38％的Pb、2％的Ag 电镀后的铜扁丝(厚度约为100～200μm)。接头需要经过火烧、红外、热风、激
太阳能电池材料的发展及应用 材料研1203 Z石南起新材料（或称先进材料）是指那些新近发展或正在发展之中的具有比传统材料的性能更为优异的一类材料。新材料是指新近发展的或正在研发的、性能超群的一些材料，具有比传统材料更为优异的性能。新材料技术则是按照人的意志，通过物理研究、材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程，创造出能满足各种需要的新型材料的技术。 随着科学技术发展，人们在传统材料的基础上，根据现代科技的研究成果，开发出新材料。新材料按组分为金属材料、无机非金属材料（如陶瓷、砷化镓半导体等）、有机高分子材料、先进复合材料四大类。按材料性能分为结构材料和功能材料。21世纪科技发展的主要方向之一是新材料的研制和应用。新材料的研究，是人类对物质性质认识和应用向更深层次的进军。 功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。 功能材料是新材料领域的核心，是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导。它涉及信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、海洋工程技术等现代高新技术及其产业。功能材料不仅对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，还对我国相关传统产业的改造和升级，实现跨越式发展起着重要的促进作用。 功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。世界各国均十分重视功能材料的研发与应用，它已成为世界各国新材料研究发展的热点和重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。在全球新材料研究领域中，功能材料约占85%。我国高技术 (863)计划、国家重大基础研究[973]计划、国家自然科学基金项目中均安排了许多功能材料技术项目（约占新材料领域70%比例），并取得了大量研究成果。
太阳能电池板（组件）生产工艺 组件线又叫封装线，封装是太阳能电池生产中的关键步骤，没有良好的封装工艺，多好的电池也生产不出好的组件板。电池的封装不仅可以使电池的寿命得到保证，而且还增强了电池的抗击强度。产品的高质量和高寿命是赢得可客户满意的关键，所以组件板的封装质量非常重要。 流程： 1、电池检测—— 2、正面焊接—检验— 3、背面串接—检验— 4、敷设（玻璃清洗、材料切割、玻璃预处理、敷设）—— 5、层压—— 6、去毛边（去边、清洗）—— 7、装边框（涂胶、装角键、冲孔、装框、擦洗余胶）—— 8、焊接接线盒—— 9、高压测试——10、组件测试—外观检验—11、包装入库 组件高效和高寿命如何保证： 1、高转换效率、高质量的电池片； 2、高质量的原材料，例如：高的交联度的EVA、高粘结强度的封装剂（中性硅酮树脂胶）、高透光率高强度的钢化玻璃等； 3、合理的封装工艺 4、员工严谨的工作作风； 由于太阳电池属于高科技产品，生产过程中一些细节问题，一些不起眼问题如应该戴手套而不戴、应该均匀的涂刷试剂而潦草完事等都是影响产品质量的大敌，所以除了制定合理的制作工艺外，员工的认真和严谨是非常重要的。 太阳电池组装工艺简介： 工艺简介：在这里只简单的介绍一下工艺的作用，给大家一个感性的认识. 1、电池测试：由于电池片制作条件的随机性，生产出来的电池性能不尽相同，所以为了有效的将性能一致或相近的电池组合在一起，所以应根据其性能参数进行分类；电池测试即通过测试电池的输出参数（电流和电压）的大小对其进行分类。以提高电池的利用率，做出质量合格的电池组件。 2、正面焊接：是将汇流带焊接到电池正面（负极）的主栅线上，汇流带为镀锡的铜带，我们使用的焊接机可以将焊带以多点的形式点焊在主栅线上。焊接用的热源为一个红外灯（利用红外线的热效应）。焊带的长度约为电池边长的2倍。多出的焊带在背面焊接时与后面的电池片的背面电极相连 3、背面串接：背面焊接是将36片电池串接在一起形成一个组件串，我们目前采用的工艺是手动的，电池的定位主要靠一个膜具板，上面有36个放置电池片的凹槽，槽的大小和电池的大小相对应，槽的位置已经设计好，不同规格的组件使用不同的模板，操作者使用电烙铁和焊锡丝将“前面电池”的正面电极（负极）焊接到“后面电池”的背面电极（正极）上，这样依次将36片串接在一起并在组件串的正负极焊接出引线。 4、层压敷设：背面串接好且经过检验合格后，将组件串、玻璃和切割好的EVA 、玻璃纤维、背板按照一定的层次敷设好，准备层压。玻璃事先涂一层试剂（primer）以增加玻璃和EVA的粘接强度。敷设时保证电池串与玻璃等材料的相对位置，调整好电池间的距离，为层压打好基础。（敷设层次：由下向上：玻璃、EVA、电池、EVA、玻璃纤维、背板）。 5、组件层压：将敷设好的电池放入层压机内，通过抽真空将组件内的空气抽出，然后加热使EVA熔化将电池、玻璃和背板粘接在一起；最后冷却取出组件。层压工艺是组件生产的关键一步，层压温度层压时间根据EVA的性质决定。我们使用快速固化EVA 时，层压循环时间约为25分钟。固化温度为150℃。 6、修边：层压时EVA熔化后由于压力而向外延伸固化形成毛边，所以层压完毕应
随着全球能源日趋紧张，太阳能成为新型能源得到了大力的开发，其中我们在生活中使用最多的就是太阳能电池了。太阳能电池是以半导体材料为主，利用光电材料吸收光能后发生光电转换，使它产生电流，那么太阳能电池的工作原理是怎么样的呢？太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子—空穴对。这样，光能就以产生电子—空穴对的形式转变为电能。 一、太阳能电池的物理基础 当太阳光照射ｐ－ｎ结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了电子——空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向型区，空穴被驱向Ｐ型区，从而使凡区有过剩的电子，Ｐ区有过剩的空穴。于是，就在ｐ－ｎ结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。 如果半导体内存在P—N结，则在P型和N型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P—N结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。
制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。下面我们以硅太阳能电池为例，详细介绍太阳能电池的工作原理。 1、本征半导体 物质的导电性能决定于原子结构。导体一般为低价元素，它们的最外层电子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子，在外电场的作用下产生定向移动，形成电流。高价元素（如惰性气体）或高分子物质（如橡胶），它们的最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为自由电子，所以导电性极差，成为绝缘体。常用的半导体材料硅（Si）和锗（Ge）均为四价元素，它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚的那么紧，因而其导电性介于二者之间。 将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体，即为本征半导体。晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，相邻的原子形成共价键。
太阳能光伏电池新技术一览 不管是何种太阳能电池的研发与创新，提高太阳能电池转换效率、降低太阳能光伏电池生产成本是所有电池生产企业及研发机构关注的核心问题。 现阶段，太阳能光伏电池行业传来不少新型电池成功研发的喜讯，既有工艺技术上的变革、也有制造材料上的创新。真可谓是百花齐放、百舸争流。受中国电池网（https://www.doczj.com/doc/df2211791.html,）授权，下面给大家总结下新的太阳能光伏电池研发成果，让感兴趣的朋友们能更深入的了解到现今的太阳能光伏电池技术的发展。 1.喷墨打印技术降低铜铟镓硒太阳能光伏电池 传统的太阳能光伏电池生产技术通常非常耗时，并且需要使用昂贵的真空系统和有毒的化学物质。使用气象沉积沉淀化合物，如铜铟镓硒(CIGS)，会损失大量昂贵的材料。俄勒冈州立大学的工程师首次研发出一种通过喷墨打印技术制造铜铟镓硒太阳能光伏电池的方法。这个方法可以减少90%原材料损耗，大幅降低了使用昂贵化合物生产太阳能光伏电池的成本。 研究者发明了一种墨，能够将黄铜矿打印在基片上，打印出的成品能量转化效率为5%。虽然，这个转化效率还无法满足商用，但研究者表示他们在接下来的研究中有望将转换率提高到12%。 工程师们正在研究其他更为便宜、可用于喷墨技术的化合物。他们称，如果这些材料能够降低足够的成本，直接在屋面材料上安装太阳能电池将成为可能。 2.单晶多晶混合太阳能光伏电池 中国太阳能电池生产商尚德电力(SuntechPower)研发出新型混合太阳能光伏电池，可以有效降低太阳能光伏发电成本10%到20%。这种电池由70%的单晶硅和30%的多晶硅构成。单晶多晶混合硅片的造价成本只是传统单晶硅硅片的一半。由于硅片只占太阳能总体成本的一部分，所以从整体上来看，有助于降低太阳能发电成本10%-20%。 尚德电力首席技术官StuartWenham表示，将很快实现该产品的规模化生产。 3.全光谱太阳能光伏电池 近日报道，加拿大科学家表示，他们研发出了一款新式的全光谱太阳能光伏电池，其不但可以吸收太阳发出的可见光，也可以吸收不可见光，从理论上讲，转化效率可高达42%，超过现有普通太阳能光伏电池31%的理论转化率。研究发表在最新一期的《自然·光子学》杂志上。 此款基于胶体量子点(CQD)的高效串接太阳能光伏电池由加拿大首席纳米技术科学家、多伦多大学电子与计算机工程系教授泰德·萨金特领导的科研团队研制而成。论文主要作者王希华(音译)表示，该太阳能光伏电池由两个吸光层组成：一层被调制用于捕捉太阳发出的可见光;而另外一层则可以捕捉太阳发出的不可见光。 萨金特希望，在5年内，将这款新的分级重组层太阳能光伏电池整合入建筑材料、手机和汽车零件中。 4.量子阱太阳能光伏电池 在西雅图举行的第37届IEEE光伏专家会议上，MagnoliaSolar的首席技术官RogerE.Welser博士做了有关InGaAs量子阱太阳能光伏电池的报告，MagnoliaSolar刷新了该类太阳能光伏电池的电压记录。 “通过把窄带隙量子阱嵌入宽带隙材料中，量子阱结构太阳能光伏电池吸收光谱更宽，同时吸收高能光子的能量损失更小。”MagnoliaSolar的董事长兼首席执行官AshokK.Sood博士表示，”单结量子阱太阳能光伏电池在非聚光条件下的理论转化效率高达45%。” 5.可挠式非晶硅太阳能光伏电池 日本媒体近日报导，TDK已研发出一款可挠式太阳能电池，藉由光学设计的改良，该款太阳能光伏电池在屋外阳光下的转换率已自现行的4.5%提升至7%的水准，TDK并计画于今(2011)年夏天透过甲府工厂量产该款太阳能光伏电池。据报导，该款太阳能电池为采用薄膜基板的非晶硅(amorphoussilicon)太阳能光伏电池。
.. 硅基太阳能电池的发展及应用 摘要：太阳能电池是缓解环境危机和能源危机一条新的出路，本文介绍了硅基太阳能电池的原理，综述了硅基太阳电池的优点与不足，以及硅基太阳能电池和其他太阳能电池的横向比较，硅基太阳能电池在光伏产业中的地位，并展望了发展趋势及应用前景等。 关键词：硅基太阳能电池转换效率 1引言 二十一世纪以来，全球经济增长所引发的能源消耗达到了空前的程度。传统的化石能源是人类赖以生存的保障，可是如今化石能源不仅在满足人类日常生活需要方面捉襟见肘，而且其燃烧所排放的温室气体更是全球变暖的罪魁祸首。随着如今全球人口突破70亿，能源的需求也在过去30年间增加了一倍。特别是电力能源从上世纪开始，在总能源需求中的比重增长迅速。中国政府己宣布了其在哥本哈根协议下得承诺，至2020年全国单位国内生产总值二氧化碳排放量比2005年下降40% --45%，非化石能源占一次能源消费的比重提高至少15%左右【6】。 目前太阳能电池主要有以下几种：硅太阳能电池，聚光太阳能电池，无机化合物薄膜太阳能电池，有机化合物薄膜太阳能电池，纳米晶薄膜太阳能电池，叠层薄膜太阳能电池等，其材料主要包括产生光伏效应的半导体材料，薄膜衬底材料，减反射膜材料等【5】。
（图1：太阳能电池的种类） 太阳电池的基本工作原理是：在被太阳电池吸收的光子中，那些能量大于半导体禁带宽度的光子，可以使得半导体中原子的价电子受到激发，在p区、空间电荷区和n区都会产生光生电子左穴对，也称光生载流子。这样形成的光生载流子由于热运动，向各个方向迁移。光生载流子在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推进n区，光生空穴被推进p区。因此，在p-n结两侧产生了正、负电荷的积累，形成与内建电场相反的光生电场。这个电场除了一部分要抵消内建电场以外，还使p型层带正电，n型层带负电，因此产生了光生电动势，这就是光生伏特效应(简称光伏)。
浅谈太阳能电池的基本原理与应用 摘要：人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力。特别是煤、石油、天然气等不可再生能源的逐渐枯竭，能源问题已经成为制约社会经济发展的重大问题，研究新能源的开发利用已是当务之急。太阳能作为一种清洁、高效、取用不尽的能源已有尽半个世纪的发展历程。并成为当前各国争相开发利用的一种新能源。太阳能光伏发电的最核心的器件是太阳能电池，太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。为全面的了解太阳能电池的相关知识，本文通过查阅大量资料与新闻信息，综述太阳能电池的发展历程与当前应用情况。重点研究太阳能电池的工作原理，基本结构，主要类型，发展现状及趋势。 关键词：太阳能电池;基本原理;材料; 晶体硅;薄膜太阳能电池;转换效率 引言：由于人类对可再生能源的不断需求。促使人们致力于开发新型能源。太阳在40min内照射带地球表面的能量可供全球目前能源消费的速度使用1年。合理的利用好太阳能将是人类解决能源问题的长期发展战略，是其中最受瞩目的研究热点之一。在太阳能的有效利用中, 太阳能的光电利用是近些年来发展最快、最具活力的研究领域. 太阳能电池的研制和开发日益得到重视. 太阳能电池是利用光电材料吸收光能后发生的光电子转移反应而进行工作的. 根据所用材料的不同, 太阳能电池主要可分为四种类型: ( 1) 硅太阳能电池; ( 2) 多元化合物薄膜太阳能电池; ( 3) 有机物太阳能电池; ( 4) 纳米晶太阳能电池.太阳能电池以硅材料为主的主要原因是其对电池材料的要求: ( 1) 半导体材料的禁带宽度不能太宽; ( 2) 要有较高的光电转换效率; ( 3) 材料本身对环境不造成污染; ( 4) 材料便于工业化生产且材料性能稳定. 随着新材料的不断开发和相关技术的发展, 以其他材料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景. 本文简要地综述了太阳能电池的原理、种类及其研究现状, 并讨论了太阳能电池的发展趋势. 1 基本原理 太阳能（Solar Energy），一般是指太阳光的辐射能量。太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。 1.1 半导体的简单介绍 半导体材料指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料，这种材料在某个温度范围内随温度升高而增加电荷载流子的浓度，电阻率下降。半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。 在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化。 1.1.1关于半导体的基本概念 共价键结构：相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子。 空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。 载流子：运载电荷的粒子称为载流子，包括电子与空穴。 杂质半导体：通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。 P型半导体：在纯净的硅晶体中掺入三
共轭聚合物的电学性质 姓名:周宇班级：10级高分子材料与工程1班学号：201015014021 摘要：共轭导电聚合物是一种极有应用前景的功能高分子材料，简单了解共轭导电聚合 物的导电特性、应用以及共轭导电聚合物在制作二次电池、新型电子器件等方面具有独特的特性和优点。 关键词：共轭聚合物电学性质应用及发展 前言 导电高分子的研究和应用是近年来高分子科学最重要的成就之一。1974年日本白川英树等偶然发现一种制备聚乙炔自支撑膜的方法，得到聚乙炔薄膜不仅力学性能优良，且有明亮金属光泽。而后MacDiarmid、Hedger、白川英树等合作发现聚乙炔膜经过AsF5、I2等掺杂后电导率提高13个数量级，达到103S?cm-1，成为导电材料。这一结果突破了传统的认为高分子材料只是良好绝缘体的认识，引起广泛关注。 由于共轭导电聚合物同时具有聚合物、无机半导体和金属导体的特性，因而具有巨大的潜在的商业应用价值。在这里就聚合物的导电性及共轭聚合物材料的特性及其应用作一扼要介绍。 正文 一．聚合物的电学性质 高分子材料的电学性能是指在外加电场作用下材料所表现出来的介电性能、导电性能、电击穿性质以及与其他材料接触、摩擦时所引起的表面静电性质等。 （一）聚合物的介电性能 聚合物在外电场作用下贮存和损耗电能的性质称介电性,这是由于聚合物分子在电场作 tg表示. 用下发生极化引起的，通常用介电系数ε和介电损耗 1.介电损耗 电介质在交变电场中极化时,会因极化方向的变化而损耗部分能量和发热,称介电损耗。介电损耗产生的原因有两方面:一为电导损耗,是指电介质所含的微量导电载流子在电场作用下流动时，因克服电阻所消耗的电能;二为极化损耗,这是由于分子偶极子的取向极化造成的.对非极性聚合物而言,电导损耗可能是主要的.对极性聚合物的介电损耗而言,其主要部分为
高效晶硅太阳能电池生产的前沿技术介绍系列之 ————SE电池技术 序言： 太阳能电池产品能够普及的关键是低成本发电。当光伏发电成本与传统能源持平甚至低于传统能源的时候，太阳能电池产品将不依赖于政府的补贴，得以在民众中普及推广。低成本的实现途径包括光电转化效率提高、生产成本下降及组件寿命提升三方面。提高太阳能电池光电转换效率一直是光伏行业工艺研发人员的工作重点，近年来发展起来的高效晶硅太阳能电池前沿技术包括：SE选择性发射电极技术、MWT技术、EWT 技术、HIT技术、表面钝化技术、IBC技术、LBSF技术、黑硅技术、双面电池技术、二次印刷技术等。虽然，到目前为止，上述太阳能电池前沿技术的生产成本还很难与常规电池工艺匹敌，无法实现大批量生产。但是，低成本光伏产品的爆炸式发展将依赖于太阳能电池新工艺技术的革新。因此，我计划对目前世界范围内研发的高效晶硅太阳能电池前沿技术进行一个系列介绍，以便于我司技术人员了解晶硅太阳能电池行业的技术动态，拓展思维方式。本期将首先介绍SE选择性发射电极技术。 一、SE电池技术介绍 SE电池技术即选择性发射极（SE-selectiveemiter）技术，即在金属栅线（电极）与硅片接触部位进行重掺杂，在电极之间位置进行轻掺杂。这样的结构可降低扩散层复合，由此可提高光线的短波响应，同时减少前金属电极与硅的接触电阻，使得短路电流、开路电压和填充因子都得到较好的改善，从而提高转换效率。其电池结构示意图如图1所示： 图1：SE电池与传统电池结构比较 二、SE结构电池的优点 1、降低串联电阻，提高填充因子 在丝网印刷工艺下，前栅接触电阻、体电阻和扩散层薄层电阻对串联电阻贡献最大。根据金属-半导体接触电阻理论，接触电阻与金属势垒（barrierheight）和表面掺杂浓度（Nb）有关，势垒越低，掺杂浓度越高，接触电阻越小。 2、减少载流子Auger复合，提高表面钝化效果 当杂质浓度大于1017cm-3时，Auger复合是半导体中主要的复合机制，而Auger复合速率与杂质浓度的平方成反比关系，所以SE的浅扩散可以有效减少载流子在扩散层横向流动时的Auger，提高载流子收集效率。
太阳能电池 太阳能电池又称为“太阳能芯片”或光电池[1]，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。在物理学上称为太阳能光伏（PV），简称光伏。 太阳能电池发电是根据特定材料的光电性质制成的。黑体(如太阳)辐射出不同波长(对应于不同频率)的电磁波，如红、紫外线，可见光等等。当这些射线照射在不同导体或半导体上，光子与导体或半导体中的自由电子作用产生电流。射线的波长越短，频率越高，所具有的能量就越高，例如紫外线所具有的能量要远远高于红外线。但是并非所有波长的射线的能量都能转化为电能，值得注意的是光电效应与射线的强度大小无关，只有频率达到或超越可产生光电效应的阈值时，电流才能产生。能够使半导体产生光电效应的光的最大波长同该半导体的禁带宽度相关，譬如晶体硅的禁带宽度在室温下约为1.155eV，因此必须波长小于1100nm的光线才可以使晶体硅产生光电效应。太阳电池发电是一种可再生的环保发电方式，发电过程中不会产生二氧化碳等温室气体，不会对环境造成污染。按照制作材料分为硅基半导体电池、CdTe薄膜电池、CIGS薄膜电池、染料敏化薄膜电池、有机材料电池等。其中硅电池又分为单晶电池、多晶电池和无定形硅薄膜电池等。对于太阳电池来说最重要的参数是转换效率，目前在实验室所研发的硅基太阳能电池中，单晶硅电池效率为25.0%，多晶硅电池效率为20.4%，CIGS薄膜电池效率达19.6%，CdTe薄膜电池效率达16.7?%，非晶硅（无定形硅）薄膜电池的效率为10.1% [2]。
太阳能电池的结构图 太阳电池是一种可以将能量转换的光电元件，其基本构造是运用P型与N型半导体接合而成的。半导体最基本的材料是“硅”，它是不导电的，但如果在半导体中掺入不同的杂质，就可以做成P型与N型半导体，再利用P型半导体有个空穴(P型半导体少了一个带负电荷的电子，可视为多了一个正电荷)，与N型半导体多了一个自由电子的电位差来产生电流，所以当太阳光照射时，光能将硅原子中的电子激发出来，而产生电子和空穴的对流，这些电子和空穴均会受到内建电位的影响，分别被N型及P型半导体吸引，而聚集在两端。此时外部如果用电极连接起来，形成一个回路，这就是太阳电池发电的原理。 简单的说，太阳光电的发电原理，是利用太阳电池吸收0.4μm～1.1μm波长(针对硅晶)的太阳光，将光能直接转变成电能输出的一种发电方式。 由于太阳电池产生的电是直流电，因此若需提供电力给家电用品或各式电器则需加装直/交流转换器，换成交流电，才能供电至家庭用电或工业用电。 太阳能电池的充电发展 太阳能电池应用在消费性商品上，大多有充电的问题，过去一般的充电对象采用镍氢或镍镉干电池，但是镍氢干电池无法抗高温，镍镉干电池有环保污染的问题。近
导电高分子材料在太阳能电池方面的应用 高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料。除一般的结构材料外，一些高分子材料还具有光电磁等性能。下面，本文将对导电高分子材料在太阳能电池方面的应用作一下介绍。 太阳能是取之不尽用之不竭的清洁能源，将太阳能转换成电能的太阳电池成为各国科学界研究的热点和产业界开发的重点。聚合物薄膜太阳能电池较已经发展的较为成熟并且商品化了的硅电池、薄膜无机电池以及染料敏化电池，有着成本低、重量轻、制作工艺简单、可制备成柔性器件等突出优点，另外聚合物材料种类繁多，可设计性强，有希望通过结构和材料的改性来提高太阳电池的性能。因此，这类太阳电池具有重要发展和应用前景。 聚合物材料在太阳能电池上的应用包括作为给体材料，受体材料，空穴传输层材料已经柔性电极，在此，我们只对其作为给体材料做简单介绍。 在太阳能电池中有几个非常重要的表征参数：PCE（光电转换效率）、Voc（开路电压）、Jsc（短路电流）、FF（填充因子）。而这些参数与聚合物的吸收光谱、电荷载流子密度、电子能级、溶解性以及聚集和形貌有着密切关系。首先，我们希望共轭聚合物材料在可见-近 红外区应该具有宽而强的吸收，从而有利于Jsc的提高；另外，我们需要给体材料有高的空穴迁移率，受体材料有高的电子迁移率，并且
尽量保证空穴电子传输平衡；因为给体和受体的LUMO能级差必须满足一定条件才能实现激子分离，而且受体的LUMO和给体的HOMO 能级差值决定电池的Voc，所以在保证较窄的带隙和激子的有效电荷分离的前提下，适当降低给体的HOMO能级或提高受体的LUMO能级可以提高聚合物太阳能电池的Voc，从而提高电池的能量转换效率。因为这种电池的活性层是由给/受体的混合溶液涂膜制备的，因此给体和受体材料都需要有好的溶解性和成膜性。最后，给体和受体的适度聚集可以增强材料对材料对太阳光的吸收和提高载流子传输性能，但过度聚集会影响给/受体的互穿网络结构的形成，从而影响激子解离，所以我们希望给体和受体光伏材料具有适度的聚集和优化的互穿网络结构的性能。下面将基于以上几点对以下具体的聚合物材料做介绍。 一、p-型共轭聚合物作为给体光伏材料 1、聚噻吩衍生物 聚噻吩在导电聚合物和共轭聚合物光电子材料方面都占有重要 地位。在掺杂导电聚合物方面，聚噻吩与聚吡咯和聚苯胺一起是研究得最多的导电聚合物材料。尤其值得指出的是，得到商品化应用的透明导电聚合物PEDOT：PSS（被广泛应用于聚合物发光二极管和聚合物太阳电池的阳极修饰层、透明防静电涂层和导电聚合物的固体电容器中）就是一种聚噻吩衍生物。高导电的PEDOT：PSS也被用作柔性透明导电电极材料。 2002年，Alivisatos等在研究共轭聚合物、CdSe半导体纳米棒杂
８０ ２００３年增刊 化学与生物工程 ————一———————一—＿—ｈ—一—————●—＿＿＿－一 共轭聚合物合成方法的研究 王维，张爱清 （中南民族大学化学与生命科学学院，湖北武汉４３１１０７４） 摘要：综连了聚芳撑（ＰＰＰ、ＰＰＹ、ＰｑＰ）、聚对苯撑乙烧（ＰＰＶ）、聚苯胺（ＰＡｎ）、聚腈（ＰＡＺ）几种共轭聚合物的合成 方法，井指出了甚轭聚各物应用中存在问题厦夸后的合成方向。 关键词：典轭聚合物；聚对苯撑｝聚吡咯｝聚噻吩；聚对苹撑乙烧；聚苯胺；聚腈；合成中图分类号：０６３１．２３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—５４２５（２０（１３）增刊一００８０一０７ 聚合物常被认为是绝缘体，但共轭聚合物因其结构特征而具有优良的光电学性能。自１９７７年白川英 树（Ｋ．Ｓｈｉａｋａｗａ）和ＭａｃＤｉａｒｍｉｄ等人首次用ＡｓＦ５或 １２对聚乙炔（Ｐｏｌｙａｅｅｔｙｌｅｎｅ，ＰＡ）进行Ｐ型掺杂，获得 １０３ ｓ?ｍ１以上的高电导率以来，人们对共轭聚合物 的结构和性能有了新的认识。１９９０年剑桥大学的Ｂｕｒｒｏｎｇｈｅｓ等用聚对苯撑乙炔（ＰＰＶ）制备了电致发光器件，引起了世人的关注。共轭聚台物的研究在世 刘丽，路庆华，印杰，朱子康，王宗光．溶胶一凝胶｛击制备聚酰亚胺／二氧化钛赙光杂化材料［Ｊ］．高等学校化学学报，２００１．２２ （１１），１９４３—１９４４． ＪＰｈｏｔｏｐｏｌＳｄＴｅｃｈｎｏ】，１９９２－２９８． ＫｅｒｗｌｎＲ Ｅ，ＧｏｄｒｉｃｋＭＲ．Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｓｔａｂｌｅｐｈｏｔｏｒｅｊｉｓｔ ｐ。ｌｙ— ｍｅｒ［Ｊ］ＰｄｙｍＥｎｇ Ｓｃｉ，１９７１，８（５）ｌ４２６—４２９．ＹｏｃｈＮ．ＨｉｒａｍｏｔｏＨ．Ｎｅｗ ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｏｌ— ｙｍｅｒｓ ｆｏｒｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＪＭａｅｒｏｍｏｌ Ｓｅｉ Ｃｈｅｍ，１９８４， Ａ２１１Ｉ３－１４）：１６４１—１６６３． 攘豪情，李悦生ｔ丁盂贤．新的离子型光敏秉酡亚胺Ｕ３．应用化 学，１９９８．１ ８（２）．Ｊ００—１０５． ＷｉｌｓｏｎＤ，Ｓａｎｔａ Ａｎｎ．ＳｔｅｎｚｅｎｂｅｒｇｅｒＨ Ｄ．ｅｔ ａ１．Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ［Ｍ］． Ｐｕｈｌｌｓｈｅｄ ｒ，ｔｈｅＵＳＡＣｈａｐｍａｎ ａｎｄＨａｌｌＮｅｗ Ｙｏｒｋ．１９９０：１１９． Ｈａｓｅｇａｗｎ Ｍ．ＫｏｅｈｉＭ，Ｍｉｔａ１，ｅｔａ１．Ｍｏｌｅｅｕｌａｆａｇｇｒａｇａｄｏｎａｎｄ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅｓｐｅｃｔｒａｏｆａｒｏｍａｔｉｃ Ｉ）０ｌｙｉｍｉｄｅｓ［Ｊ］．ＥｕｒＰｏｌｙｍＪ， １９８９，２５：３４９‘３５４ ＲｕｂｎｅｒＲ．Ｋｉｅｅｂｅｒｇ Ｗ，ＫｕｈｎＥ．Ｇｅｒｍａｎ Ｐａｔｅｎｔ２ ４３７ ３４８， １９９４ 界范围内乍ｌ益广泛的开展起来，已逐渐成为一门新型的多学科交叉的研究领域。近些年研究主要集中在聚对苯撑（ＰＰＰ）、聚吡咯（ＰＰＹ）、聚噻吩（ＰＴＰ）、聚苯胺（ＰＡｎ）和聚苯撑乙炔（ＰＰＶ），这是因为它们原料易得．合成方法简便、聚合物性能优良等优点，并显示出了广泛的应用前景。其应用领域主要包括：发光材料、非线性光学器件、充电电池、电容器、传感器、液晶材料等，国内外相关研究有不少文献报道［１“…，且部分应用已 ［ｉ９］柬普坤，李佐弗，李加深，玛戚，王强．主链古有机硅结构的光敏 聚酰亚胺的研究［Ｊ］．功能高分子学报，１９９８．１１（１）：１９９８ ｆ２０］ＬｉｎＡＡ，ＶｉｎｏｄＲＳ，ｅｔ ａ１．ＭａｅｒｏｍｏＩｅｅｕｌｅｓ，１９９８，２１：１１６５［２１３ ＳｃａｉａｎｏＪ Ｃ．Ｆｅｒｒｉｒａ Ｊ Ｃ Ｎ。Ｐｏｌｙｍ ＥｎｇＳｃｉ．１９８９，２９（１４）；９４２ ［ｚｚ３ Ｃｈｉａｎｇ ｗＴ．ＭｅｉｗＰ．Ｔｅｔｒａｈｅｄｍｎ Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９９Ｚ，３３‘５１１： ７８６９－７８７８． ［２３］ＣｈｉａｎｇＷＴ，ＭｅｉＷＰ．ＪＡｐｐｌｙＰｏｌｙｍＳｃｉ，１９９３．５０，２１９１—８１９５．［２４］１ｗａｍｏｔｏＭ，ＫａｓａｈａｒａＳ?ＩｒａｙａｍａＫ，ｃｔ日１．ＪｐｎＪ Ａｐｐｌ ｐｈｙｓ， １９９１．３０（２Ａ）：Ｌ２１８ ［ｚｓＪ Ｊｇａｒｇｏａ，ＭｅｔｈｏｄｓＭａｔｅｒ，ＭｌｅｒｏｅｌｅｅｔｒｏｎＴｅｃｈａｏｌ（Ｐｒｏｃ ｈｉｔ． Ｓｙｒｕｐ）。１９８２：８１． ［８８３ＪｏＣｈｏｉ，ｅ１．ａ１．Ｐｏｌｙｍ ＥｎｇＳｃｉ，１９９２．３２（２１）１１６３２． ［２７３ＫＲＣａｒｔｅｒ．ｅｔａ１．ＰＭＳＥ，１９９５ｔ７２Ｉ ３８５． ［６８３ Ｅ ＰＣａｓｓｉｄｙ，ｅｔａｌ Ｐｏ［ｙｍＮｅｗｓ．１９８９，１４：３９２． 作者简介：扬志兰（１９７９一），士，硕士研宛生．研究方向：高分子 功能材料。 ＳｔｕｄｙｏｆＰｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅＰｏｌｙｉｍｉｄｅ ＹＡＮＧＺｈＨａｎ，ＺＨＡＮＧＡｉ－ｑｉｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ∥ＣｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＬｉ尼Ｓｃｉｅｎｃｅ，ＳｏｕｔｈＣｅｎｔｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｆｏｒＮａｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ，Ｗｕｈａｎ４３００７４。Ｃｈｉｎｎ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｐａｐｅｒｒｅｖｉｅｗｓｔｈｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｖｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅｐｏｌｙｉｍｉｄｅｓ．Ｔｈｅｓｙｎｔｈｅｔｉｃｍｅｔｈｏｄｓ，ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｒｃ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｂｅｓｉｄｅ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｎｄａｐｐｌｉｅｄｆｏｒｅｇｒｏｕｎｄｏ｛ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅｐｏｌｙｉｍｉｄｅｓ ｉｎ ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎ ａｒｅ ｉｎｃｌｕｄｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ；ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ；ｓｙｎｔｈｅｔｉｃｍｅｔｈｏｄ；ｐｒｏｐｅｒｔｙ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ；ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎ 圮玷钉 ｑ 阳朝 叼 龃 ； 万方数据
太阳能电池材料的研究现状及未来发展 太阳能是人类取之不尽，用之不竭的可再生能源，它不产生任何环境污染，是清洁能源.太阳光辐射能转化电能是近些年来发展最快，最具活力的研究，人们研制和开发了不同类型的太阳能电池.太阳能电池其独特优势，超过风能、水能、地热能、核能等资源，有望成为未来电力供应主要支柱.制造太阳能电池材料的禁带宽E:应在1.1eV-13W之间，以1.5eV左右为佳，最好采用直接迁移型半导体，较高的光电转换效率(以下简称“效率”)，材料性能稳定，对环境不产生污染，易大面积制造和工业化生产. 1954年美国贝尔实验室研制了世界上第一块实用半导体太阳能电池，不久后用于人造卫星.经近半个世纪努力，人们为太阳电池的研究、发展与产业化做出巨大努力.硅太阳电池于1958年首先在航天器上得到应用.在随后10多年里，空间应用不断扩大，工艺不断改进.20世纪70年代初，硅太阳电池开始在地面应用，到70年代末地面用太阳电池产量己经超过空间电池产量，并促使成本不断降低.80年代初，硅太阳电池进入快速发展，开发的电池效率大幅度提高，商业化生产成本进一步降低，应用不断扩大.20世纪80年代中至今，薄膜太阳能电池研究迅速发展，薄膜电池被认为大幅度降低成本的根本出路，成为 今后太阳能电池研究的热点和主流，并逐步向商业化生产过渡. 1.不同材料太阳电池分类及特性简介 太阳能电池按材料可分为品体硅太阳电池、硅基薄膜太阳电池、化合物半导体薄膜太阳电池和光电化学太阳电池等儿大类.开发太阳能电池的两个关键问题就是:提高效率和降低成本. 1晶体硅太阳电池 晶体硅太阳电池是PV(Photovoltaic)市场上的主导产品，优点是技术、工艺最成熟，电池转换效率高，性能稳定，是过去20多年太阳电池研究、开发和生产主体材料.缺点是生产成本高.在硅电池研究中人们探索各种各样的电池结构和技术来改进电池性能，进一步提高效率.如发射极钝化、背面局部扩散、激光刻槽埋栅和双层减反射膜等，高效电池在这些实验和理论基础上发展起来的. 2硅基薄膜太阳电池 多晶硅(ploy-Si)薄膜和非晶硅(a-Si)薄膜太阳电池可以大幅度降低太阳电池价格.多晶硅薄膜电池优点是可在廉价的衬底材料上制备，其成本远低于晶体硅电池，效率相对较高，不久将会在PV市场上占据主导地位.非晶硅是硅和氢(约10%)的一种合金，具有以下优点:它对 厚，材料的需求量大大减少，沉积温度低(约200'C)，阳光的吸收系数高，活性层只有1m 可直接沉积在玻璃、不锈钢和塑料膜等廉价的衬底材料上，生产成本低，单片电池面积大，便于工业化大规模生产.缺点是由于非晶硅材料光学禁带宽度为1.7eV，对太阳辐射光谱的长
晶体硅太阳能电池的种类及特点 太阳能电池已经有30多年的发展历史。目前世界各国研制的硅太阳能电池种类繁多，；主要系列有单晶、多晶、非晶硅几种。其中单晶硅太阳能电池占50％，多晶硅电池占20％、非晶占30％。我国光伏发电发展需解决的关键问题。太阳能光伏发电发展的瓶颈 是成本高。为此，需加大研发力度，集中在降低成本和提高效率的关键技术上有所突破，主要包括：a)晶体硅电池技术。降低太阳硅材料的制备成本：开发专门用于晶体硅太阳 能电池的硅材料，是生产高效和低成本太阳电池的基本条件；同时实现硅材料国产化和 提高性能，从产业链的源头，抓好降低成本工作。提高电池／组件转换效率：高效钝化 技术，高效陷光技术，选择性发射区，背表面场，细栅或者单面技术，封装材料的最佳 折射率等高效封装技术等。光伏技术的发展以薄膜电池为方向，高效率、高稳定性、低 成本是光伏电池发展的基本原则。 单晶硅在太阳能的有效利用当中，太阳能光电利用是近些年来发展最快，也是最具 活力的研究领域。而硅材料太阳能电池无疑是市场的主体，硅基(多晶硅、单晶硅)太阳 能电池占80％以上，每年全世界需消费硅材料3000t左右。生产太阳能电池用单晶硅， 虽然利润比较低，但是市场需求量大，供不应求，如果进行规模化生产，其利润仍然很 可观。目前，中国拟建和在建的太阳能电池生产线每年将需要680多吨的太阳能电池用 多晶硅和单晶硅材料，其中单晶硅400多吨，而且，需求量还以每年15％～20％的增长 率快速增长。硅系列太阳能电池中，单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为23％，而规模生产的单晶硅太阳能电池，其效率为15％，技术也最为成熟。高性能单晶 硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成熟的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅 的电池工艺已近成熟，在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂 等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率 主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面，德国夫朗霍费费莱堡太阳 能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制 成倒金字塔结构。通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率：通过以上制得 的电池转化效率超过23％。单晶硅具有完整的金刚石结构。通过掺杂得到n，P型单晶硅，进而制备出p／n结、二极管及晶体管，从而使硅材料有了真正的用途。单晶硅太阳能电 池转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶 硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下，要想大幅度 降低其成本是非常困难的。 多晶硅众所周知，利用太阳能有许多优点，光伏发电将为人类提供主要的能源，但 目前来讲，要使太阳能发电具有较大的市场，被广大的消费者接受，提高太阳电池的光 电转换效率，降低生产成本应该是我们追求的最大目标，从目前国际太阳电池的发展过 程可以看出其发展趋势为单晶硅、多晶硅、带状硅、薄膜材料(包括微晶硅基薄膜、化合 1
能源产业中的高分子之聚合物太阳能电池 刘大柯 摘要由于环境污染和能源危机日益加重，太阳能在能源产业中异军突起，成为能源领域的新星。太阳能是一种理想的新能源，清洁、干净、无污染，其储量巨大，取之不尽，用之不竭，充满了诱人的前景。将太阳能转换为电能是解决环境污染和能源危机的重要途径之一，因此各类太阳能电池的研发和推广在世界各国备受关注。在目前商品化的太阳能电池市场中，尽管无机晶体硅太阳能电池占据主导地位，但聚合物太阳能电池因其独特的优势已成为太阳能电池研发的重要方向之一。柔性聚合物太阳能电池具有质轻、制作工艺简单、成本低等特点，现已成为近年太阳能利用方面研究的热点。有机太阳能电池是实现将太阳能直接转变为电能的最有前景的器件之一。文章综述了聚合物太阳能电池的基本原理,器件构型，电池材料及制备工艺，最后对柔性光伏器件的应用前景和商业化趋势进行了展望。 关键词能源聚合物太阳能电池工作原理给体受体 0.引言 新世纪以来，随着我国国民经济的快速发展，能源消费总量也在急速增长2011年我国能源消费总量已达34.8×108t标准煤[1]，与美国相当。。庞大的能源消费总量给我国的“能源安全供应体系”和“环境保护工作”带来了沉重的压力。一方面，由于自有能源不能满足消费需求，我国有大量能源需要从国外进口，据海关总署统计，2011年我国石油和煤炭的进口量分别达到2.53×108t和1.82×108t[2]，能源供应的整体“对外依存度”较高。另一方面，在我国能源消费结构中，近90%是传统化石能源[3]。这些化石能源在燃烧利用过程中向大气层及自然环境排放大量的温室气体、有毒有害物质和粉尘，严重影响了人们的生命安全和健康。当前，探索和开发其他新兴能源利用方式，解决日益严重的能源短缺和环境污染等问题，成为我国社会各界共同关注的话题。 在诸多新兴能源利用方式中，太阳能光伏发电被认为是最有前途的方式之一。然而目前占主导地位的光伏技术主要基于无机硅材料，其高昂的材料制备成本以及高能耗的加工工艺限制了它的广泛应用，并且其生产过程中的产生的大量副产物四氯化硅对于环境污染极大。聚合物太阳能电池制造成本低廉、材料质量轻、加工性能好，可以利用先进的卷对卷以及喷涂打印技术进行大规模生产，并具有柔性，可以加工成为半透明器件，易于携带，生产过程中能耗低，环境污染少[4]，因此其具有更加广阔的应用前景。
硅酸盐学报 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY 柔性薄膜太阳能电池的研究进展 李荣荣1，赵晋津1，司华燕1，边志坚2 马辉东2，丁占来1,3 （1.石家庄铁道大学材料科学与工程学院, 石家庄050043；2.晶龙实业集团有限公司，河北邢台055550； 3.石家庄铁道大学交通工程材料重点实验室，石家庄050043 ) 摘要：本文综述了柔性薄膜太阳能电池的研究现状、发展趋势及其应用前景，分别就柔性衬底材料、硅系薄膜太阳能电池、铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池、铜锌锡硫（CZTS）、染料敏化太阳能电池(DSSCs)、有机太阳能电池和新型纳米材料太阳能电池进行了介绍。卷对卷以及喷墨印刷法等非真空大面积制备柔性薄膜太阳能电池的工艺，为低成本生产此类太阳能电池打开了希望之门，最后对其发展遇到的挑战进行了展望。 关键词：柔性薄膜；太阳能电池；卷对卷印刷；喷墨印刷；柔性衬底 中图分类号：TB34文献标识码：A 文章编号： 网络出版时间：网络出版地址： Development of flexible thin film solar cells LI Rongrong1, ZHAO Jinjin1, SI Huayan1, BIAN Zhijian2, MA Huidong2, DING Zhanlai1,3 （1 School of Materials Science and Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, ShiJiaZhuang 050043,China； 2 Jinglong Industry and Commerce Group Co.Ltd. , XingTai 055550, China 3 The Key Laboratory of Transportation Engineering Materials, Shijiazhuang Tiedao University, ShiJiaZhuang 050043, China ) Abstract: Recent development and application of the flexible thin film solar cells were reviewed. The flexible substrate materials, silicon thin film photovoltaics, copper–indium–gallium–selenium(CIGS) chalcogenides thin film solar cells, Cu2ZnSnS4 (CZTS)-based thin film solar cells, dye sensitized solar cells, polymer solar cells and nanomaterial solar cells were introduced, respectively. The roll-to-roll process and the ink-jet printing technology to product the flexible thin film solar cell in non-vacuum route could be promising for a large scale production of these solar cells at low costs. In addition, future studies and challenges of the production of flexible thin film solar cells are also prospected. Key words: flexible thin film; solar cell; roll to roll process; ink-jet printing; flexible substrate 能源与环境问题是人类社会发展必须面对的问题，煤炭、石油、天然气等化石能源在地球上的储量是有限度的，迟早有耗尽的时候。而太阳能是取之不竭用之不尽的。基于半导体光伏效应原理的太阳能电池是太阳能利用的有效方式之一。目前，以玻璃硬性材料为衬底的单晶硅与多晶硅太阳能电池占生产量的绝大多数，但是其本身制造过程的高能耗与高真空条件使其发电成本较高，而且其容易破碎、不可弯曲等特点限制了某些应用场合，光 收稿日期：修订日期： 基金项目：河北省高校重点学科建设项目资助(HBJG2013-4) 第一作者：李荣荣(1988—)，女，硕士研究生。 通信作者：丁占来(1964—)，男，硕士，教授。 电转化效率也有待进一步提高[1]。薄膜太阳能电池属于新一代太阳能电池，按照衬底的种类可分为硬衬底和柔性衬底两大类。所谓柔性衬底薄膜太阳能电池是指在柔性材料（如不锈钢、聚酯膜等）上制作的薄膜太阳能电池，与晶体硅片太阳能电池和硬衬底（如玻璃）薄膜太阳能电池相比，柔性薄膜太阳能电池具有可弯曲、不易破碎、质量轻、应用广泛等特点，新的无机和有机太阳能材料的研究，新型太阳能电池结构的探索，卷对卷（roll-to-roll）的 Received date:Revised date:. First author:LI Rongrong(1988–), fe male,Master candidate. E-mail:rr20081988@https://www.doczj.com/doc/df2211791.html, Correspondent author:DING Zhanlai(1964–),male,Master,Professor. E-mail: zl ding@https://www.doczj.com/doc/df2211791.html, 印刷生产工艺以及喷墨印刷（Ink-Jet Printing）为柔