有机太阳能电池研究进展(1)

有机太阳能电池实验报告实验项目名称P3HT-PC61BM 体异质结聚合物太阳能电池器件制作与性能测试实验日期指导老师实验者学号专业班级第一部分:实验预习报告一、实验目的通过在实验室现场制作P3HT-PC61BM 聚合物体异质结太阳能电池器件以及开展电池性能测试,了解有机太阳能电池的制作工艺与流程,熟悉相关的加工处理与分析测试设备工作原理与使用方法,加深对有机太阳能电池的感性认识,提高学生的实际操作能力,培养学生对科学研究的兴趣。

二、实验仪器电子分析天平、加热磁力搅拌器、超声仪、紫外臭氧清洗系统、旋涂仪、惰性气体操作系统、真空蒸镀系统、太阳光模拟器、数字源表、台阶仪三、实验要求1、严格按照实验室要求与规范开展实验,未经允许不得随意触摸或按动设备开关或按钮以及设备控制系统。

2、实验期间保持室内安静,保持实验室内清洁卫生。

3、熟悉有机太阳能电池加工与测试相关设备、原理与方法。

四、实验内容与实验步骤1.聚合物体异质结加工溶液的配制(活性层P3HT:PCBM 溶液的配制)在手套箱外称取所需的P3HT 5、6mg 与PCBM 5、6mg,混合好装入带有磁子的5mL 瓶子中,转移到手套箱中;用一次性注射器吸取0、33mL oDCB(邻二氯苯)溶剂,配成17mg mL-1的溶液,放到加热台(加热台需要 5 分钟的稳定时间)上,设置温度为85℃,搅拌1h 后,冷却至室温待用。

2.导电玻璃表面清洁与处理。

A.首先确认ITO 面,用万用电表(打到Ω档)测试其表面电阻,有电阻的一面为ITO,在其反面的边缘处刻‘上’字(见下图)。

将ITO 依次放到去离子水、丙酮与异丙醇中超声清洗10 分钟。

每次超声完毕,用镊子取出ITO,用同样的溶剂反复冲洗两面三次,之后用氮气枪迅速吹干,立刻放到盛有下一种溶剂的容器中清洗。

最后将用氮气枪吹干的ITO 转移到六孔板中转移至紫外/臭氧清洗机(操作详见其说明)中,将ITO面朝上,表面清洁处理10 分钟后,将ITO 取出并置于六孔板中待旋涂PEDOT:PSS(ITO 面朝下)。

有机光电转换材料的研究随着技术的不断发展，有机光电转换材料的研究也越来越成熟。

有机光电转换材料被广泛应用于太阳能电池、有机发光二极管、柔性电子学等领域。

本文将简单介绍有机光电转换材料的研究现状和未来发展趋势。

一、有机光电转换材料的分类有机光电转换材料主要可分为有机太阳能电池材料和有机发光二极管材料。

下面就分别介绍。

1、有机太阳能电池材料有机太阳能电池材料主要是通过吸收太阳光转化为电能的材料。

它们通常由一个聚合物或小分子和一个电子受体组成。

在光照下，电子受体会吸收能量，并将其释放给材料的导电性区域。

这会形成一个电荷分离，产生自由电子和空穴。

有机太阳能电池材料分为以下几类：a) 有机共轭聚合物具有良好的分子结构和电子迁移性，适用于大面积的生产。

b) 有机小分子通常是两个或三个具有明确化学结构的有机分子。

c) 钴富勒烯类结构为富勒烯的硫属，可用于制备各种类型的太阳能电池。

2、有机发光二极管材料有机发光二极管材料主要是通过吸收外界能量转化为可见光的材料。

其中，电不均相自旋极化超过50%的有机材料也称为有机自旋极化发光材料。

下面主要介绍有机自旋极化发光材料。

有机自旋极化发光材料分为以下几类：a) 有机小分子材料具有良好的发光性质、较高的效率和较长的寿命。

b) 共价有机小分子/聚合物复合材料具有更好的发光和电学性质。

c) 阴离子分子半导体是一种具有非常强的电子亲和性和良好的电学性质的材料。

二、有机光电转换材料的研究现状在过去的几十年里，人们对有机光电转换材料的研究一直在不断深入。

其中，太阳能电池和有机发光二极管的研究得到了较为突出的进展。

1、有机太阳能电池的研究进展有机太阳能电池的能量转换效率是一个重要的指标。

自20世纪90年代以来，人们已经开始研究采用不同的有机共轭聚合物、有机小分子、钴富勒烯类等材料制备有机太阳能电池。

通过不断地改进和优化材料的分子结构、电荷传输特性、制备工艺等方面，有机太阳能电池的能量转换效率得到了大幅提升。

有机太阳能电池的研究进展太阳能作为一种可再生的清洁能源，一直被广泛研究与应用。

传统的硅基太阳能电池在效率和成本等方面存在着一些限制，而有机太阳能电池作为一种新兴的太阳能转换技术，正逐渐引起人们的关注和研究。

有机太阳能电池采用有机材料作为光吸收层和电子传输层，能够将太阳光转化为电能，并具有低成本、柔性和可打印性等优势。

近年来，各国科学家们在有机太阳能电池领域取得了一系列突破性的研究进展。

首先，有机太阳能电池的效率不断提高。

2019年，美国国家可再生能源实验室（NREL）与华盛顿大学合作，在全新的有机太阳能电池体系中实现了高达17.3%的电能转换效率。

与此同时，许多新型的有机材料也不断被发现，如聚合物、小分子有机化合物和混合有机物等，这些新材料更具有光电转换效率高和稳定性好的特点，为有机太阳能电池的进一步提升提供了新的可能。

其次，有机太阳能电池的稳定性得到了显著改善。

有机材料本身的稳定性相对较差，容易受到氧化、光照和湿度等环境因素的影响。

为了提高有机太阳能电池的稳定性，科学家们进行了大量的研究工作。

他们通过改良有机材料的结构、加入稳定剂和光稳定剂等方法，使得有机太阳能电池的使用寿命得到了显著延长。

例如，研究人员在电池的前后电极之间加入了抗氧化剂，有效减少了电池的降解速度，使其在长时间使用中仍然能够保持较高的转换效率。

第三，有机太阳能电池的成本不断下降。

相比于传统的硅基太阳能电池，有机太阳能电池在生产工艺上更加简单，且使用的材料成本更低。

此外，由于有机太阳能电池具有柔性和可打印性的特点，可以在柔性基底上制备，因此降低了制造成本。

近年来，有机太阳能电池的制造工艺也取得了一系列的改进，如一步法浸渍法和喷墨打印法等，这些新的制备工艺使得有机太阳能电池的制造成本进一步降低。

最后，有机太阳能电池在应用领域也获得了广泛的关注。

由于其可弯曲性和可透明性，有机太阳能电池可以应用于建筑物的外墙、车辆的外壳和电子产品的外壳等领域，实现能源的自给自足。

有机太阳能电池摘要有机太阳能电池因具有成本低、质轻、柔韧性好、可大面积印刷制备的优点而受到广泛关注，对电池原理，结构，材料的研究对提高有机太阳能电池的性能有重大意义。

本文主要综述了有机太阳能电池的工作原理，电池结构以及电极材料。

并对有机太阳能电池的应用前景做了展望。

关键词原理；结构；材料；应用前景1.有机太阳能电池简介有机太阳能电池，顾名思义，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。

主要是以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，以光伏效应而产生电压形成电流, 实现太阳能发电的效果.由于无机硅太阳能电池的材料生产成本高，污染大、能耗高，寻找新型太阳能电池材料和低成本制造技术便成为人们研究太阳能电池技术的目标。

有机太阳能材料和电池制备技术有望成为低成本制造的选择之一。

世界上第一个有机光电转化器件是由Kearns和Calvin在1958年制备的，其主要材料为镁酞菁（MgPc）染料，染料层夹在两个功函数不同的电极之间。

1986年，行业内出现了一个里程碑式的突破——有机半导体的发明。

器件的核心结构是由四羧基苝的一种衍生物（PV）和铜酞菁（CuPc）组成的双层膜。

双层膜的本质是一个异质结，其思路是用两种有机半导体材料来模仿无机异质结太阳能电池。

1992年，土耳其人Sariciftci在美国发现，激发态的电子能极快地从有机半导体分子注入到C60分子中，而反向的过程却要慢得多。

1993年，Sariciftci 在此发现的基础上制成PPV/C60双层膜异质结太阳能电池。

随后，研究人员在此类太阳能电池的基础上又提出了一个重要的概念：混合异质结（体异质结）。

而所谓“混合异质结”，就是将给体材料和受体材料混合起来，通过共蒸或者旋涂的方法制成一种混合薄膜。

给体和受体在混合膜里形成一个个单一组成的区域，在任何位置产生的激子，都可以通过很短的路径到达给体与受体的界面（即结面），从而电荷分离的效率得到了提高。

2.有机太阳能电池工作原理2.1激子概念在有机半导体材料中，分子之间只有很弱的范德华作用力，不能形成连续的能带，电子被光激发后只能停留在原分子轨道内，不能转移到其他分子上。

有机异质结太阳能电池研究进展有机异质结太阳能电池是一种新型的光电转换器件，由有机半导体材料和无机半导体材料组成。

它具有制备简单、成本低廉、可柔性化和透明化等特点，被广泛认为是未来太阳能电池的发展方向之一、本文将介绍有机异质结太阳能电池的研究进展，包括结构设计、材料选择与优化、性能提升策略以及应用前景等方面。

一、有机异质结太阳能电池的结构设计有机异质结太阳能电池的结构一般由透明导电玻璃基底、有机电子传输层、有机光吸收层、无机电子传输层和金属电极等组成。

其中，有机光吸收层是整个器件的关键部分，它能够吸收光能，并将其转化为电能。

对于结构设计，需要在光吸收层和电子传输层之间形成一个能够有效分离电子和空穴的界面，从而提高光电转换效率。

二、有机异质结太阳能电池的材料选择与优化有机光吸收材料是有机异质结太阳能电池的关键材料之一，其光吸收性能、电子传输性能和稳定性等特性直接影响器件的光电转换效率。

研究人员通过合理选择有机材料，如聚合物、过渡金属配合物和有机-无机杂化材料等，来改善器件的性能。

此外，还可以通过调控材料的分子结构、掺杂和界面改性等手段，进一步提升器件的性能。

三、有机异质结太阳能电池的性能提升策略为了提高有机异质结太阳能电池的光电转换效率，研究人员采取了多种策略。

例如，引入介质层或增加界面的修饰层，可以改善电子传输和光吸收的效果。

同时，采用光谱调控、界面优化和器件结构优化等技术，也能够提高器件的光电转换效率。

此外，还可以通过多接合异质结或向复合材料发展等方法，提高器件的稳定性和可靠性。

四、有机异质结太阳能电池的应用前景综上所述，有机异质结太阳能电池是一种具有广泛应用前景的光电转换器件。

通过不断优化材料选择、结构设计和性能提升策略，有机异质结太阳能电池的光电转换效率和稳定性将得到进一步提高。

预计在未来几年，有机异质结太阳能电池将成为太阳能领域的重要研究方向之一。

太阳能电池的研究和开发太阳能是一种取之不尽，用之不竭的绿色能源，被广泛认为是可持续发展的主要能源之一。

因此，研究和开发太阳能电池已经成为当代科技领域中的一个重要热点。

本篇文章将介绍太阳能电池的基本原理和结构，并探讨近年来太阳能电池研究的进展和未来发展趋势。

一、太阳能电池的原理和结构太阳能电池（Solar Cell）是一种将太阳能转换为电能的装置。

其工作原理是利用半导体材料的PN结（负电荷区和正电荷区交界处），在太阳光的照射下产生光电效应，即把光能转化为电能。

常见的半导体材料有硅、锗、硒化铜等。

太阳能电池的结构一般由P型半导体、N型半导体和PN结三部分组成。

其中，P型半导体有多余的空穴，N型半导体有多余的电子。

当两种半导体相遇时，多余的空穴和多余的电子会发生扩散和漂移，最终在PN结附近形成一个电子空穴对。

而当太阳光照射在PN结上时，会激发电子从价带跃迁到导带，形成电荷对。

这些电荷静电场在PN结两侧产生电压，从而产生电流。

因为PN结两侧的电荷密度不同，所以形成了开路电压。

二、太阳能电池的分类和研究进展太阳能电池可按照材料、工艺和结构等分类。

按照材料可分为硅太阳能电池、半导体太阳能电池、有机太阳能电池等。

按照结构可分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池等。

同时还可以按照阳光转换效率、耐久性、成本、稳定性等因素进行分类。

近年来，太阳能电池的研究进展主要集中在阳光转换效率、稳定性和制造成本等方面。

目前单晶硅太阳能电池的转换效率最高，可达到22%以上。

而有机太阳能电池珂学涵等可以在常温下制造，并且具有较高的柔性和低成本，但是其转换效率和稳定性有待提高。

另外，如何解决太阳能电池的制造过程、使用寿命和回收处理等问题也是当前研究的主要课题。

三、太阳能电池的发展趋势太阳能电池目前已经广泛应用于家庭、商业和工业领域中的电力供应。

未来，太阳能电池的发展方向将主要集中在以下几个方面：第一，提高太阳能电池的转换效率。

新型太阳能电池的研究进展与应用前景太阳能是一种绿色、可再生的能源，拥有巨大的潜力在人类经济活动中发挥重要作用。

近年来，随着科学技术的发展，太阳能电池的研究也有了很大的进展。

新型太阳能电池不仅能够提高太阳能电池的转化效率，还能够降低制造成本和改善使用环境。

本文将介绍新型太阳能电池的研究进展和应用前景。

一、有机太阳能电池有机太阳能电池(Organic Solar Cells, OSC)是一种有机半导体材料构成的太阳能电池。

相对于传统太阳能电池，有机太阳能电池具有更好的柔性和透明性，可以安装在移动设备上或是玻璃幕墙上进行光电转换。

另外，有机太阳能电池的制造成本低，生产效率高，对环境的影响也较小。

因此，在未来应用中有着广阔的发展空间。

南京大学研究团队利用有机太阳能电池的透明性特点，开发出一种透明有机太阳能电池。

该电池由玻璃和ITO(Indium Tin Oxide, 一种透明导电材料)构成，具有平均光电转换效率达到8.3%、高透过率(85%)、可弯曲的柔性、更长寿命等优点。

二、钙钛矿太阳能电池钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells, PSC)是一种以钙钛矿晶体为载体的太阳能电池。

其中，钙钛矿晶体具有良好的吸光性、电子传输性能等良好性质，可以用来制造太阳能电池。

钙钛矿太阳能电池具有高光电转换效率的特点。

据统计，当前最高光电转换效率达到了25.2%之高。

加州理工学院的研究团队提出了一种新型钙钛矿太阳能电池的设计方案，该电池可应用于智能门锁、生物传感器等领域。

新设计通过使用针对特定波长的光敏材料，将电池划分为三个独立的区域，同时，可以有效防止电池中反射或透过的光被浪费，最终实现最佳效率。

三、多级组分太阳能电池多级组分太阳能电池是指结合不同材质、不同半导体的太阳能电池。

在这种太阳能电池中，每一分层材料都能吸收一定波长的光，从而扩大了太阳能电池的光谱带宽，充分利用太阳光谱所含的能量，提高电池的光电转换效率。

太阳能电池技术的进展与应用前景随着环境污染和气候变化的日益严重，为解决能源问题，太阳能电池作为一种清洁、可再生、无污染的能源，其技术得到了长足的发展，也成为各国研究的热点之一。

本文将分别从太阳能电池的技术进展和应用前景两个方面进行分析。

太阳能电池技术进展1.多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池是目前最常见和应用最广泛的太阳能电池。

多晶硅太阳能电池的效率随着材料制备和工艺的改进不断提高，目前已经达到了21%左右。

同时，多晶硅太阳能电池在制造过程中能够产生较少的废料，具有比较成熟的商业化路线。

2.单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池由单一晶体制成，其效率比多晶硅太阳能电池高，可达到22%以上。

同时，单晶硅太阳能电池的寿命更长，可达30年以上。

不过，由于单晶硅太阳能电池制造工艺较为复杂，成本相对较高，因此市场占有率较低。

3.无机钙钛矿太阳能电池无机钙钛矿太阳能电池是近年来新兴的太阳能电池材料之一。

其通过改变材料结构和优化器件结构设计，其效率可以达到24%以上。

同时，无机钙钛矿太阳能电池的可制备性高，可通过溶液法、气相沉积等快速、低成本的制备技术得到大面积的优质器件。

4.有机太阳能电池有机太阳能电池是太阳能电池技术中的新兴领域，其以有机半导体材料为基础，可实现制造柔性、轻便的太阳能电池。

此外，有机太阳能电池的生产工艺成本较低，未来有望应用于大规模生产。

虽然目前其效率较低，但其容易与其他材料结合的特点提高了其应用上的灵活性。

太阳能电池应用前景1.户用光伏随着太阳能电池技术不断升级和成本不断降低，越来越多的家庭开始安装太阳能电池板以满足自身用电需求，其中以光伏发电为主。

除了满足自家能源的需要，还可以将发电量卖给电网，实现信息时代的分发式能源供应。

2.工业光伏太阳能电池板不仅可以用于家庭光伏发电，同样也可以广泛应用于工业领域，例如：太阳能电站、工业厂房的穹顶、通讯基站和广告牌等。

随着技术的进步，太阳能电池板将广泛应用于更多的工业领域。

有机太阳能电池的研究进展张剑锋1,2,Z HOU H ua 2xi ng 1,YOU W ei1(1.Depart m ent of Che m istry ,Un i versity of North Caroli na at Chape lH il,l Chape lH il,l Nort h C aroli na 27599,USA ;2.宁波大学材料科学与化学工程学院,浙江宁波 315211)摘 要:回顾了近五年有机太阳能电池在电池材料和器件性能方面的研究进展.在材料方面,合成具有低带隙的化合物,使之与太阳光谱有更好的匹配,以提高对太阳光的吸收范围;在器件方面,通过使用异质结和纳米结构,使之在增加光吸收的同时保证激子的分离与有效迁移.有机聚合物太阳能电池是有机太阳能电池的发展方向,设计并合成具有低带宽和低HO MO 能级的D-A 型聚合物是提高其理论光能转化效率的关键.通过改进与提高电池的制作技术,充分挖掘新材料的潜力,将获得较大光能转换效率的有机太阳能电池.关键词:太阳能电池;光伏电池;聚合物中图分类号:T M 914.4 文献标识码:A 文章编号:1673-162X(2009)04-0001-07充分利用太阳能是解决能源危机的重要途径之一,因此太阳能电池的研发一直备受关注.在目前商品化的太阳能电池市场中,无机晶体硅太阳能电池占据主导地位.但是由于晶体硅的制造成本高、加工工艺复杂等问题,[1]此种太阳能电池难以实现大规模普及化应用.与无机半导体相比,有机半导体具有制造成本低和良好柔韧性的优点;并且有机物太阳能电池制备工艺简单,具有制造面积大、廉价、简易、柔性等优点,因此有机太阳能电池已经成为太阳能电池新发展的方向.有机太阳能电池在吸收太阳光后会产生束缚的空穴-电子对)))/激子0,因此又称作为有机激子太阳能电池.激子在异质结界面上发生分离后才能产生大量自由的电荷载体,它们扩散至电极后产生光电流.从广义的角度来说,凡是涉及有机化合物的太阳能电池都可以称之为有机太阳能电池.例如,染料敏化太阳能电池、有机小分子异质结电池、有机聚合物太阳能电池、有机-无机杂化太阳能电池.但是实际上这些激子太阳能电池的激子分离和电荷传输的机理与途径具有很大的不同,有机化合物在电池中的作用也有很大差别.只有有机小分子太阳能电池和有机聚合物太阳能电池,完全依靠有机化合物进行激子分离与电荷传递,因此我们称之为纯有机太阳能电池,也是目前发展最快的有机太阳能电池.值得指出的是,染料敏化太阳能电池(又称Gratzel 型电池)是非常值得关注的一类激子太阳能电池.此类太阳能电池研究的最早也最为成熟,目前的光能转化效率最高可达11%{G ratz e,l 2000#228;O p R egan ,1991#275;O p R egan,1990#277;N az eer uddin ,1993#271},[2]体现了良好的应用前景.寻求具有更高电荷分离效率和稳定性的有机染料分子,解决液态电解质的泄漏和变性问题是实现工业化的关键.基于有机小分子和有机聚合物的纯有机太阳能电池,光能转化效率相对较低.但随着近几年有机合成技术、纳米与表面技术发展以及体异质结[3,4]电池设计技术的改进,其光能转化效率也在不断提升,目前最高已达6.5%,体现了良好的发展势态.本文拟对纯有机太阳能电池的研究进展作一介绍.1 有机小分子太阳能电池对于有机太阳能电池来说,其共同的特点就是界面对于激子的产生和分离起着至关重要的作用.激子依靠电场和化学势梯度得以分离,同时依靠界面电场来降低电荷的重新结合速率,因此,界面性质在激子太阳能电池中起到至关重要的作用.界面性质影响激子的扩散距离及其在界面的分离.通常认为纳米结构界面将有助于提高激子分离的效率.最初的有机小分子太阳能电池,由两个不同功函数的电极夹着一层有机小分子材料构成[5].由于有收稿日期:2009-05-05 修回日期:2009-09-09作者简介:张剑锋(1968)),男,湖南邵阳人,宁波大学材料科学与化学工程学院副教授,博士,University of North Ca rolina at Chape lH ill 化学系访问学者,出访得到王宽诚幸福基金的资助.(自然科学版)Journa l ofH e feiUn i vers it y(Natura l Sc iences) 2009年11月 第19卷第4期 Nov .2009Vo.l 19No .4机材料的层厚度受到了限制,因此这种电池的光能转化效率非常低[6].为了提高光能转化效率,Tang 开创性地利用了两种性质不同的有机小分子给体(D)和受体(A ),构造出D /A 双层异质结薄膜结构,得到了1%的光能转化效率[7].此种D /A 双层异质结薄膜结构利用给体和受体的能级差别来克服激子的结合能,最大限度地把激子分离成自由电子和空穴,从而大幅度提高了光能转化效率.有机材料中激子迁移距离通常只有5~10nm ,因此薄膜(小于50nm)有利于激子迁移到D /A 界面.但是另一方面,大多数有机材料的吸收系数(A )只有105c m -1,需要增加膜厚(大于200n m )来最大程度地吸收光能.因此为了寻求最佳的光能转化效率,必须找到一个最佳的层厚度[4,8,9].有机小分子太阳能电池所使用的有机物主要有酞菁、二萘嵌苯和C 60等,图1给出几种典型材料的分子结构.图1 几种典型的有机小分子太阳能电池材料许多研究小组在探寻不同的方法来解决激子迁移距离过小的问题,常用的方法是选用特定的材料并采用高真空蒸膜来形成双层甚至多层的异质结薄层结构.如上所述,异质结结构可促进激子的迁移,减少电荷的重新结合,在增加光吸收的同时保证激子的有效迁移[10-12].另一种方法是通过使用高表面积的体相异质结来获得相互缠绕的薄层[8].由于体相异质结有非常高的给体、受体表面积,给体与受体在整个光吸收层均匀混合,激子在有效迁移距离内就能够找到D /A 界面从而有效分离.此种方法的优点是在获得较短的激子到界面的迁移距离同时可以增加有效膜厚来吸收更多的光能.Forrest 研究小组通过有机气相沉积法,控制CuPc 和PTCBI 在I T O 电极上的生长位置和生长方向,得到了水晶状的体异质结,最大程度地增大给体与受体的接触面积,因此光能转换效率得到了较大的提高[13].此外,具有纳米晶结构的材料表面有利于电子的迁移,在D /A 界面上的纳米簇结构和纳米粒子技术都有助于提高光能转化效率.对于有机小分子太阳能电池而言,优点是有机小分子容易纯化,易于形成无定形或多晶的薄膜,并可制成多层异质结结构;其缺点是有机小分子的稳定性非常有限,如何保持电池材料的热力学稳定性有待解决.目前有机小分子太阳能电池的最高效率可以达到5.7%.[8-10,14-16]2 有机聚合物太阳能电池有机聚合物太阳能电池以重量轻、可溶液成膜以及可弯曲的性质,得到了广泛的关注[17-20],特别是近两年的发展速度非常快.虽然目前的光能转化效率尚在5%~6%,但是当其光能转化效率达到8%以上时,即可体现出它的优势,实现大规模的工业化生产和使用.有机聚合物太阳能电池材料通常由正负电极及其具有光活性的薄层所组成.光活性薄层是由给体和受体组成的体异质结结构.目前使用的受体材料主要有CdSe [21]、n -型聚合物[22]和C 60及其衍生物PCB M ,以PCB M 使用的最多(该类异质结太阳能电池的结构见图2).PCB M 型太阳能电池的正负电极分别为铟锡氧化物(I T O )和具有较低功函数的金属.位于两个电极之间的涂层由共轭聚合物与PCB M 混合2合肥学院学报(自然科学版)第19卷图2 体异质结(BH J )有机聚合物太阳能电池示意图[23]而成.当光透过透明的I T O 照射到共轭聚合物分子上时,如果光能大于聚合物的带隙时就会激发出激子,激子向D /A 界面移动,由于D /A能级差别大于激子的结合能,导致激子在界面上分离,电子会转移到受体PCB M 的LU MO 轨道上,同时空穴会仍然停留在共轭聚合物的HO MO 轨道上.然后电子就会通过PCB M 传递到负极,而空穴会通过共轭聚合物传递到正极IT O 从而产生光电流和光电压.由于光吸收主要是由给体材料承担,因此它的性质是决定聚合物太阳能电池性能的主要因素.给体材料一般具有较低的带隙(E g )和较低的HO MO 能级,前者可以最大限度地吸收光子产生激子保证有较大的光电流,后者可以使激子分离后保持较大的电压.P3HT 是被研究的最为彻底的给体材料,经器件优化后其光能转化效率最大可达5%[18,24].除P3HT 外,其他一些具有较宽吸收光谱带的聚合物同样可以用作给体材料,如:MD MO -PPV 、聚噻吩类似物等[25,26].太阳光谱的最大光强在700nm 左右,由此计算出聚合物的带隙应该在1.74e V[27],为了获得这种低带隙聚合物,目前最成功的方法是通过D /A 共聚[28-37],即:通过具有高H O MO 的给体与低L U MO 的受体的共聚,形成D /A 型结构,由给体在分子内部向受体部分转移电子,从而降低带隙,使其吸收谱带和太阳光谱具有更好的匹配,以提高光能转化效率.目前一些较好的低带隙聚合物性能及其结构分别见表1、图3.表1 一些低带隙聚合物材料的性能Pol y m erHO MO /e V L UMO /eV E g(opt)/eV V oc /mA J sc /mA FF G /%R e.f (1)-5.80-3.51.036.30.432.8[38,69](2)-5.5-3.61.880.896.920.633.6[28,40](3)-5.391.820.909.50.5075.4[33](4)-5.3-3.571.400.79110.472.83.2(C70)[29,30](5)-5.43-3.661.700.800.806.210.10.510.532.54.3(C70)[41](6)-5.1-3.41.7(fil m )0.660.619.411.30.470.582.94.0(C70)[42](7)-5.05-3.271.450.6812.70.555.1(C70)[43](8)-4.90-3.201.62(fil m )0.580.5612.515.00.6540.6334.765.30(C70)[44](9)-5.37-3.141.850.8215.40.394.9[34] 综合分析给体化合物的结构,可以发现这样的一个规律:含有噻吩环的聚合物虽然具有较高的J S C ,但V OC 较低,含有苯环的聚合物则正好相反,J S C 较低但V OC 较高,这可能是由于噻吩环与苯环相比,前者具有更好的供电子性,使得整个分子的HO MO 能级升高,造成较低的V OC ,而由于空穴流动性的提高,增大了J S C .因此,从设计聚合物的角度来看,理想的聚合物应该是具有D /A 结构、低带隙和低HO MO [45].量子化学计算等理论化学手段可以为设计理想聚合物分子提供理论指导.为了提高有机聚合物太阳能电池的太阳光谱利用率和空穴迁移率,人们尝试了各种方法,如:通过在共轭聚合物主链上加入共轭支链从而扩大聚合物吸收范围[26,46-48];通过用共轭分子将聚合物主链交联提高空穴迁移率[25,49,50],利用各种不同的给体单体和受体单体的共聚得到低带隙的聚合物从而使吸收谱带红移,更好的与太阳光谱匹配[27,29-36],以及通过改善其共混的纳米结构提升迁移率和电池性能.决定有机聚合物太阳能电池性能的因素包括:光子的吸收与激发、电荷的运输、给体和受体组成的体异质结的形貌(是否具有均匀且连续的纳米结构)、电极与器件的结构.有机聚合物容易成膜,而且通过选3第4期张剑锋,等:有机太阳能电池的研究进展图3 一些低带隙聚合物材料的结构用不同的溶剂和控制溶剂挥发的时间可以控制聚合物材料的形貌,但在设计聚合物分子时,需要考虑解决聚合物材料的溶解性与性能之间的矛盾.增长侧链能增大溶解性(从而提高成膜性),但会影响共轭价键的共平面而影响其光电性能.电子在激子分裂成电子和空穴之后50飞秒(1飞秒=1@10-15秒)之内发生转移才是有效的,否则电子与空穴容易再次结合,异质结结构可减少聚合物分子在激发之后的振动或摇摆,例如,MD MO -PPV /PCB M 异质结电池的电子从激发到转移的时间为45飞秒,而纯MD MO -PPV 膜层则由于分子在产生激子后因振动而产生连续的激发,使电荷转移的时间增长[51].除通过选择适当的溶剂、溶剂挥发时间外,构建和控制电池材料的表面纳米形态的方法还有:高分子的自组装[52,53],盘状液晶的自组装和通过离子静电作用得到的单分子层[54],纳米尺寸的高分子球[55],有机/无机杂化系统[56-59].此外,在有机聚合物太阳能电池中还需要关注激子在界面的分离以及电荷在与金属接触处的传递.为了改善太阳能电池中接触的界面性能,在金属和有机材料界面通过加入各种缓冲层来调整接触功函,增加电池的内在电压,从而阻碍激子在金属和有机界面上的分离.例如,在A l 电极中添加L i F 层能降低A l 电极的功函,由于Li F 的定向排列或与界面的化学反应导致在结合部产生偶极,从而改善电极的性能[60].图4 给体的能带间隙、LU M O 能级与光能转化效率的等高图图4是基于PCB M 为受体和有机聚合物为给体的太阳能电池的给体能带间隙、L U MO 能级与光能转化效率的等高图.为了达到理想的光能利用效率,作为空穴导体的理想化的低带隙聚合物的HO MO 和L UMO 应该分别达到-5.7e V 和-4.0e V.从图4以看出,只要能够设计并合成出具有低E g 和HO MO 能级的聚合物,聚合物太阳能电池的转化效率达到10%应该是可以实现的.目前有机聚合物太阳能电池的转化效率最高为5%~6%,尚有很大的发展空间.4合肥学院学报(自然科学版)第19卷图4中的两条直线分别表示HO MO 为-5.7e V 和-4.8e V .[27]3 结束语有机太阳能电池涉及理论化学、合成化学、材料科学、物理学、电子学、化学工程等多个学科.为了进一步提高有机太阳能电池的转化效率,要重点设计与合成具有低带宽和低HO MO 能级的聚合物分子,通过纳米技术使聚合物材料具有较好的成型形貌,提高电子和空穴的流动性,通过形成异质结结构得到较厚的膜,在促进电荷转移的同时保证良好的填充因子.参考文献:[1] A lsema E A .Energy P ay 2back T i m e and CO 2Em i ssi ons of PV Syste m s[J].Progress in Photovoltaics ,2000,8(1):17225.[2] G ra tze lM.P erspec ti 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aroli na 27599,USA ;2.Faculty ofM ater i a l Sc ience and Chem ical Engi neeri ng ,N ingbo Un i versity ,N ingbo ,Zhe ji ang 315211,Ch i na)Abstr ac t :The recent development on organic photovolta ic materials and re lated properties was revie wed.Bul k heterojuncti o n of donor and acceptorma terials with phase separation at nano meter sca le can dra m atica lly i n crease the efficiency via t h e i m prove ment on excitons p dif f usi o n and separation ,and the charge transpor.t N e w pol y m ers w ith lo w band gap so as to better match the solar spectru m can enhance the light absorption .I n or der to f urther i m prove the effic iency of bu l k heterojuncti o n solar cells based on poly mer :PCB M b lend ,the ideal poly mer should bear lo w band gap and lo w HO MOlevel si m u ltaneously ,thereby collaborative l y increase t h e short circuit curren t and t h e open c ircu it voltage .K ey word s :or gan ic solar cel;l photovoltaic ce l;l poly mer 7第4期张剑锋,等:有机太阳能电池的研究进展。

太阳能电池的原理与技术进展太阳能电池是一种利用太阳光辐射能够直接转化为电能的设备。

在世界各地出现了越来越多的太阳能电池板，大部分的这些电池板使用的是硅材料制作，而其它材料如钙钛矿、有机材料以及半导体材料等也被广泛地使用，所有这些材料都是通过吸收光子而激发电子，进而产生电流。

太阳能电池的成分太阳能电池通常由多个太阳能电池元件按系列和并联方式连接而成，每个太阳能电池元件由多层材料构成。

太阳能电池最常用的材料是硅(C-Si), 包括单晶硅（c-Si）和多晶硅（mc-Si），也有些采用非晶硅 (OPV)、有机材料和钙钛矿等材料制作。

太阳能电池的原理太阳能电池的工作原理是根据光电效应。

当太阳光线通过太阳能电池，光子激发了太阳能电池中的材料，激发的电子积聚到电池两侧产生电流，这种发电方式就是光生发电。

太阳能电池的性能参数太阳能电池的性能参数包括功率、额定输出功率、电开路电压、电池短路电流、填充因子等。

其中额定输出功率、电开路电压和短路电流是最常见的参数，也是太阳能电池性能的重要指标。

太阳能电池的技术进展在太阳能电池的研究方向中，为了提高效率，降低成本，利用新材料以及新型结构设计等方面得到了广泛的研究。

目前为止，最高效的太阳能电池采用的技术是多接触内部反射太阳能电池（Multiple Contact Internal Reflexion Solar Cell, MCIRC）。

MCIRC电池的有效面积是同级别单一接触太阳能电池的4倍，其效率在室温下可以达到37.5%以上，这与其扩大了光谱响应范围的结构有关。

此外，钙钛矿太阳能电池是目前的热点研究领域。

因为它有着较高的光电转换效率和优良的光学性能，且制备成本低廉。

但是钙钛矿太阳能电池仍面临稳定性和有效寿命等方面的挑战。

总结太阳能电池的发展空间非常广阔，在未来的日子里，随着新型材料的研发和新型结构的设计，太阳能电池一定会得到更广泛的应用。

而这一切最终的目的，是为了让我们的生活更加方便并更好地保护我们的环境。

太阳能电池的研究进展及展望近年来，随着环保意识的提高和传统能源的枯竭，太阳能电池（Solar Cell）作为一种清洁能源正在逐渐普及和发展。

太阳能电池最初是由费曼（Richard Feynman）等科学家在上个世纪五六十年代发明的，随着半导体材料科技的发展，太阳能电池的效率越来越高，从最初的3%到现在的22%以上。

本篇文章将从太阳能电池的历史、原理、技术和应用方面进行阐述，同时也对太阳能电池的未来发展进行展望。

一、太阳能电池的历史太阳能电池的历史可以追溯到1839年，法国物理学家贝克勒尔（Edmond Becquerel）通过实验发现了光生电效应。

然而，在接下来几十年中，太阳能电池的研究并不是重点，只有极少数的科学家致力于相关的研究。

直到20世纪初，艾因斯坦（Albert Einstein）通过研究光电效应等问题，提出了光电效应的理论，为太阳能电池的研究指明了方向。

1954年，贝尔实验室的三位研究人员丰塔恩（Calvin Fuller）,皮尔斯（Gerald Pearson）和杰里博（Daryl Chapin）成功地制造出了第一台太阳能电池，其效率只有1%左右，比较低。

但从此，太阳能电池的研究和应用进入了一个新的时代。

二、太阳能电池的原理太阳能电池利用光生电效应（Photoelectric Effect）将太阳辐射的能量转化成电能，是一种将光能转化为电能的装置。

光生电效应是指光照射到半导体表面时，能量传递到晶体电子，使电子克服晶格结构的束缚而脱离原子成为自由电子，并形成空穴。

自由电子和空穴随后在半导体中向相反方向移动，当电子和空穴相遇时，会产生原子、分子之间的化学反应，从而产生电流。

太阳能电池的结构主要由PN结构和逐渐淘汰的P型和N型材料构成，其中PN结构是最常用的结构之一。

三、太阳能电池的技术太阳能电池技术的不断发展促进了太阳能电池效率的提高，同时也让太阳能电池的价格降低，应用范围扩大。

常见的太阳能电池可以分为单晶硅、多晶硅、非晶硅、有机电池等几种，每种电池的原理、结构和性能不同。

太阳能电池的研究进展摘要：太阳能是一种清洁可再生能源，其中利用半导体等光电材料的光伏发电效应的太阳能电池有良好的前景。

本文通过对太阳能电池原理的分析，简要的介绍了硅基类太阳能电池、有机化合物太阳能电池、染料敏化太阳能电池和其它太阳能电池。

关键词：太阳能电池原理种类0前言2004年欧盟联合研究中心针对当前能源的结构和使用情况预测：在未来的几十年内，碳水化合物等非再生能源随着人类的大量的开发将逐渐较少，取而代之的将是可再生能源。

其中太阳能的利用将会得到很大的重视与提高。

太阳能的利用主要有3种形式：光热、光化学转换和光伏发电。

光热利用具有低成本、方便、利用效率较高等优点，但不利于能量的传输；光化学转换在自然界中以光合作用的形式普遍存在，但目前人类还不能很好地利用；光伏发电利用以电能作为最终表现形式，具有传输极其方便的特点，在通用性、可存储性等方面具有前两者无法替代的优势，且由于太阳能电池的原料硅的储量十分丰富、太阳电池转换效率的不断提高、生产成本的不断下降，都促使太阳能光伏发电在能源、环境和人类社会未来发展中占据重要地位。

太阳能发电有两种方式，一种是光-热-电转换方式，另一种是光-电直接转换方式。

光-热-电转换方式是利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。

前一个过程是光-热转换过程；后一个过程是热-电转换过程。

一座1000mw的太阳能热电站需要投资20～25亿美元，平均1kw的投资为2000～2500美元，它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍。

因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合而很难大规模的应用。

而光-电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光-电转换的基本装置就是太阳能电池。

太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的。

有机太阳能电池空穴传输材料的研究进展袁峰;周丹;谌烈;徐海涛;陈义旺【摘要】有机太阳能电池是新一代固态薄膜电池,报道的能量转化效率已接近15％,成为可再生能源领域的研究热点.空穴传输材料是构成有机太阳能电池的重要组成部分,对有机太阳能电池的能量转换效率和稳定性有重要影响.目前应用于有机太阳能电池的空穴传输材料分为无机空穴传输材料和有机空穴传输材料两大类.无机空穴传输材料的可选择范围较窄,电池加工工艺相对苛刻.开发各类能级匹配、空穴迁移率高的有机空穴传输材料是提高有机太阳能电池能量转换效率和稳定性的有效手段,是目前的开发重点.本文主要综述了有机空穴传输材料分子结构对有机太阳能电池能量转换效率、填充因子、开路电压、短路电流和稳定性的影响,并对其能级、空穴迁移率、添加剂的使用等进行了讨论.最后详细论述了有机空穴传输材料未来的研究重点和发展趋势.【期刊名称】《功能高分子学报》【年(卷),期】2018(031)006【总页数】10页(P530-539)【关键词】有机太阳能电池;空穴传输材料;能级;能量转换效率【作者】袁峰;周丹;谌烈;徐海涛;陈义旺【作者单位】南昌航空大学材料科学与工程学院 ,南昌330063;南昌航空大学材料科学与工程学院 ,南昌330063;南昌大学化学学院 ,南昌330031;南昌航空大学材料科学与工程学院 ,南昌330063;南昌大学化学学院 ,南昌330031;南昌大学化学学院 ,南昌330031【正文语种】中文【中图分类】O631能源和环境问题是当前人类面临的两个最紧迫问题，低碳经济是当今最热门的话题。

太阳能是取之不尽、用之不竭的绿色能源，将太阳能转换成电能的太阳能电池是解决能源和环境问题、发展低碳经济的途径之一。

目前研究和开发的太阳能电池有：单晶硅、多晶硅、碲化镉和铜铟镓硒薄膜半导体、有机太阳能电池等。

前几种无机太阳能电池已经实现了商品化，能量转换效率介于22%～31%，但其缺点是电池制备成本高、原材料生产过程能耗高、污染重，这大大限制了其推广应用。

PEDOT：PSS在有机太阳能电池中的应用研究进展
许文博;宋世伟;王承
【期刊名称】《物理化学进展》
【年(卷),期】2024(13)1
【摘要】聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)具有良好的导电性和柔性,在可穿戴的柔性电致变色器件和柔性太阳能电池中显示出巨大的潜力。

通过不同的化学沉积和物理掺杂可以更大的提高PEDOT:PSS的电化学性能。

目前PEDOT:PSS在有机太阳能电池(Organic solar cells, OSCs)空穴传输层(HTL)的应用研究极为广泛,但是其具有低电导率、水/氧敏感、腐蚀电极等缺陷。

为了追求优异的性能,常用的PEDOT:PSS空穴传输层仍需优化。

本文综述了近年来PEDOT:PSS的各种改善方法和在有机太阳能电池空穴传输层中的应用研究最新进展,并介绍了PEDOT:PSS在柔性有机太阳能电池的应用。

【总页数】11页(P54-64)
【作者】许文博;宋世伟;王承
【作者单位】上海理工大学机械工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM9
【相关文献】
1.稀释溶剂对PEDOT∶ PSS薄膜和有机太阳能电池性能的影响
2.Si/PEDOT:PSS 杂化太阳能电池的研究进展
3.Si/PEDOT:PSS异质结太阳能电池研究进展
4.有机太
阳能电池PEDOT:PSS空穴传输层及其改性的研究进展5.PEDOT:PSS在柔性可穿戴太阳能电池中的应用进展
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