第4章有机柔性太阳能电池

柔性太阳能电池的制备与性能研究近年来，随着人们对可再生能源的需求不断提升，太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的新能源逐渐成为了人们关注的热门话题。

而柔性太阳能电池的出现更是为太阳能行业带来了新的发展方向，它不仅外观美观、轻薄便携，而且还可以自由弯曲、扭转，适应各种复杂的使用环境。

在现代科技高速发展的今天，柔性太阳能电池的制备和性能研究已成为学术界和工业界关注的热点。

一、柔性太阳能电池的概述柔性太阳能电池是一种能够自由弯曲、扭转，光电转换效率可达到高水平的新一代太阳能电池。

与传统的硅基太阳能电池相比，柔性太阳能电池具有以下明显特点：1. 高度可弯曲性：柔性太阳能电池不仅可以自由弯曲、扭转，也可以整体弯曲，形成任意形状，赋予了它更大的灵活性与可塑性。

2. 轻薄便携：产品外形美观轻薄，方便携带，特别适合户外活动和紧急情况下使用。

3. 耐候性强：柔性太阳能电池在各种气候条件下都具有非常好的耐候性和稳定性。

二、柔性太阳能电池的制备技术制备柔性太阳能电池的关键是合理的材料选择和高度精细的制备工艺，其中主要涉及到以下几个方面：1. 柔性电材料的选择：选择能够弯曲的特殊材料，如钢、铜、合金等，为电池设计提供基础。

2. 喷涂法：喷涂是一种非常常用的柔性太阳能电池制备方法，将改良的电解质和有机半导体材料混合后，直接喷涂在柔性底材上。

此方法生产成本低，操作便捷，能够快速制备大面积的柔性太阳能电池。

3. 旋涂法：旋涂是一种基于涂敷工艺的制备方法，将光电转化材料转移印刷在柔性或半柔性的聚酰亚胺薄膜上，然后加热和压实。

因为聚酰亚胺材料抗氧化性、稳定性较高，所以将柔性太阳能电池转移印刷到聚酰亚胺材料表面能够有效增加其使用寿命。

4. 热膜法：热膜法是将金属和有机半导体材料通过卷制的方式在柔性基板表面制成膜。

这种制备方法工艺复杂，但制造出来的柔性电池具有极高的光电转换效率和电池寿命。

三、柔性太阳能电池的性能研究柔性太阳能电池的性能研究是为了优化产品设计，提高光电转换效率，提高产品性能和使用寿命。

有机太阳能电池的高效制备1.引言有机太阳能电池，是一种新型的光电转换器件，具有可弯曲、透明、轻薄、低成本等优良特点，因此在可穿戴电子设备、柔性显示器材、汽车光伏等领域具有广泛应用前景。

然而，目前有机太阳能电池的效率还远低于普通硅基太阳能电池，因此如何高效制备有机太阳能电池成为了研究热点。

2.有机太阳能电池的结构有机太阳能电池由玻璃/透明导电膜、电子受体材料、电子供体材料和金属电极四部分构成。

其中，电子供体材料和电子受体材料通过界面形成PN结，通过光生电荷对的分离产生电流。

3.有机太阳能电池的制备方法（1）溶液法溶液法是目前有机太阳能电池制备过程中最常用的方法之一，其制备过程大体分为三个步骤：底部玻璃电极涂覆透明导电膜、制备电子供体膜、制备电子受体膜。

其中，电子供体和电子受体通过滴涂或者印刷等方法涂覆在透明导电膜上，待干燥后通过真空蒸发、有机分子扩散等方式将另一层材料涂覆在电子受体膜上，形成PN结。

（2）物理气相沉积法物理气相沉积法通过在真空环境下沉积材料，制备有机太阳能电池。

该方法虽然制备简单，但成本较高，且由于材料之间的匹配难度较大，效率较低。

4.有机太阳能电池效率的提高（1）物理化学方法通过引入控制界面的物理化学方法可以有效改善电荷注入和传输性质，从而提高有机太阳能电池的效率。

例如，控制材料的接面能、提高载流子传输效率等方法，都可以有效地提高有机太阳能电池的效率。

（2）结构优化通过优化有机太阳能电池的结构，可以减少反射、增强吸收光子的能力，从而提高电流密度；加强界面的活性、减少失活界面的数量，从而提高电荷分离和运输效率。

（3）新型材料开发有机太阳能电池的光吸收材料和载流子传输材料是提高电池性能的关键。

当前，研究者正在探索新型低成本有机材料和半导体纳米材料，以改善电荷输运和分离特性。

5.结论随着对有机太阳能电池材料性质、结构和效率的深入研究，有机太阳能电池的制备和效率正在不断提高。

可预见的是，随着技术的不断进步，有机太阳能电池必将在柔性电子设备、光伏汽车、建筑一体化领域等得到更广泛的应用。

第四章太阳能电池的种类太阳能电池是利用半导体的光生伏特效应，许多材料都可以用来做太阳能电池，因而太阳能电池的种类很多。

一、单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池的特点：•作为原料的硅材料在地壳中含量丰富，对环境基本上没有影响。

•单晶制备以及pn结的制备都有成熟的集成电路工艺作保证。

•硅的密度低，材料轻。

即使是50µm以下厚度的薄板也有很好的强度。

•与多晶硅、非晶硅比较，转换效率高。

•电池工作稳定，已实际用于人造卫星等方面，并且可以保证20年以上的工作寿命。

1、如何制备单晶硅材料To get silicon in single-crystal state, we first melt the high-purity silicon. We then cause it to reform very slowly in contact with a single crystal "seed." The silicon adapts to the pattern of the single crystal seed as it cools and solidifies gradually. Not suprisingly, because we start from a "seed," this process is called "growing" a new ingot of single-crystal silicon out of the molten silicon. Several specific processes can be used to accomplish this. The most established and dependable means are the Czochralski method and the floating-zone (FZ) technique.Czochralski processThe most widelyused technique for makingsingle-crystal silicon is theCzochralski process. In theCzochralski process, seedof single-crystal siliconcontacts the top of moltensilicon. As the seed isslowly raised, atoms of themolten silicon solidify inthe pattern of the seed andextend the single-crystalstructure.在得到硅单晶片后，就可以开始制备太阳能电池。

课程大纲第一部分：基础知识第章引言第一章：引言第二章：半导体基础第三章：P-N结第四章：太阳能电池基础第二部分：传统太阳能电池第章能第五章：晶体硅太阳能电池第六章：高效III-V族化合物太阳能电池第七章：硅基薄膜太阳能电池第八章：高效薄膜太阳能电池（CIGS, CdTe）第三部分：新型太阳能电池第九章：有机太阳能电池第十章：染料敏化及钙钛矿太阳能电池第十一章：其它新型太阳能电池（量子点，中间带等）第十二章：多结太阳能电池主讲教师：（1-4 章：18学时）；82304569，xwzhang@张兴旺14章学时）xwzhang@semi ac cn尹志岗（5-7 章：14学时）；82304469，yzhg@游经碧（8-12章：22学时）；82304566，jyou@课程性质：专业选修课课程性质专业选修课课时：54课时考试类型：开卷成绩计算方式：期末考试（70%）+小组文献汇报（30%）成绩计算方式期末考试参考书目：1熊绍珍朱美芳：《太阳能电池基础与应用》科学出版社1. 熊绍珍，朱美芳：《太阳能电池基础与应用》，科学出版社，2009年2. 刘恩科，朱秉升，罗晋生：《半导体物理学》，电子工业出版社，2011年3. 白一鸣等编，《太阳电池物理基础》，机械工业出版社，2014年第一章引言太阳能的利用方式1.2太阳能资源及其分布31.114太阳电池工作原理31.3太阳电池发展历程1.4太阳电池应用与趋势31.51.6中国光伏发电的现状1973年，由于中东战争而引起的“石油禁运”，全世界发生了以石油为代表的能源危机，人类认识到常规能源的局限性、以石油为代表的“能源危机”，人类认识到常规能源的局限性有限性和不可再生性，认识到新能源对国家经济发展、社会稳定及安全的重要性。

与此同时，环境污染日益加剧、极端天气频繁出现，不断挑战着人类的忍受极限……1.1 太阳能资源：未来能源的主要形式太阳能核能地热能生物质能风能水势能清洁能源－－光伏发电太阳------物理参数太阳------地球生命之源！表度太阳------巨大的火球！表面温度：5760-6000K中心温度：1.5×107K日冕层温度：5×106K198930质量：1.989×10kg太阳每秒释放的能量：3.865×1026J，相当于132每秒燃烧1.32×1016吨标准煤的能量(世界能源消耗)3.0 ×1020joule/y=万分之一！3.0 ×1024joule/y万分之巨大潜力(照射到地面的太阳能)457亿年>50亿年我国的太阳能资源45.7亿年，>50亿年，取之不尽、用之不竭地表每年吸收太阳能17000亿吨标煤2007年一次能源26.5亿吨标煤解决能源危机特点能源取之不尽、无污染地球表面角度0.1%的太阳能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于目前世界上能耗的40倍资源丰富太阳环改善环境、保护气候无污染物废气噪音的污染特点能的境角无污染物、废气、噪音的污染1 MW并网光伏电站的年发电能力约为113万优点度并能kWh，可减排二氧化碳约191余吨相当于每年可节省标准煤约384余吨，减排粉尘约5.5吨，减排灰渣约114吨，减排二氧化硫约节能减排8.54吨。

有机/聚合物太阳能电池1. 有机/聚合物太阳能电池的大体原理:有机/聚合物太阳电池的大体原理是利用光入射到半导体的异质结或金属半导体界面周围产生的光生伏打效应(Photovoltaic)。

光生伏打效应是光激发产生的电子空穴对一激子被各类因素引发的静电势能分离产生电动势的现象。

当光子入射到光敏材料时，光敏材料被激发产生电子和空穴对，在太阳能电池内建电场的作用下分离和传输，然后被各自的电极搜集。

在电荷传输的进程中，电子向阴极移动，空穴向阳极移动，若是将器件的外部用导线连接起来，这样在器件的内部和外部就形成了电流。

对于利用不同材料制备的太阳能电池，其电流产生进程是不同的。

对于无机太阳能电池，光电流产生进程研究成熟，而有机半导体体系的光电流产生进程有很多值得商议的地方，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)，可是也有很多其独特的方面，现介绍如下：一般以为有机/聚合物太阳电池的光电转换进程包括：光的吸收与激子的形成、激子的扩散和电荷分离、电荷的传输和搜集。

对应的进程和损失机制如图1所示。

图1 聚合物太阳能电池光电转换进程和入射光子损失机理光吸收与激子的形成当太阳光透过透明电极ITO照射到聚合物层上时，不是所有的光子都能被聚合物材料所吸收的，只有光子能量hν大于材料的禁带宽度E g时，光子才能被材料吸收，激发电子从聚合物的最高占有轨道(HOMO)跃迁到最低空轨道(LUMO)，留在HOMO中的空位通常称为“空穴”，这样就形成了激子，通常激子由于库仑力的作用，具有较大的束缚能而绑定在一路。

对于入射到地面的太阳光谱从其能量散布来看，大约在700nm处能量是最强的，因此所利用的激活层材料其吸收光谱也应该尽可能的接近太阳的辐照光谱，而且在700nm处达到最强的吸收，这样有力于激活层材料对光的吸收和利用。

可是从目前研究的聚合物材料来看，其吸收光谱均不能与太阳光谱很好的匹配。

太阳能电池类型half-cell 概述说明以及解释1. 引言1.1 概述在当今世界上，能源短缺和环境污染问题日益突出，人们对可再生能源的需求越来越迫切。

太阳能作为最重要的可再生能源之一，在近年来得到了广泛关注和研究。

太阳能电池作为太阳能利用的核心技术之一，具有清洁、可持续、高效等优点，成为未来可再生能源领域的重要组成部分。

1.2 文章结构本文旨在全面介绍half-cell太阳能电池类型，并深入解释其原理及优势。

文章共分为引言、Half-cell太阳能电池类型概述、Half-cell太阳能电池类型解释、Half-cell太阳能电池应用与优势以及结论与展望五个部分。

引言部分将首先概述本文主题，并说明文章结构和目的。

1.3 目的本文的主要目的是提供一个全面清晰的half-cell太阳能电池类型概述和解释，使读者对不同种类的half-cell太阳能电池有一个深入了解。

同时，通过对这些类型进行应用领域介绍和经济效益分析，展示half-cell太阳能电池的可持续发展优势。

最后，通过总结半电池在可再生能源中的地位和作用，展望未来半电池技术发展趋势及挑战，为读者提供一个关于half-cell太阳能电池相关知识的综合性指南。

2. Half-cell太阳能电池类型概述：2.1 半电池定义与原理:半电池是指太阳能电池中的一个主要组件，它负责将太阳光转化为电能。

与传统的全电池结构相比，半电池通过将电池的前端和后端分离，可以提供更高的效率并降低成本。

半电池通常由非晶硅、多晶硅或钙钛矿材料制成，并采用不同的工艺和结构来实现光电转换。

2.2 单结半电池：单结半电池是最简单的半电池结构之一。

它由一个PN结组成，其中P区域富含正空穴，而N区域则富含自由电子。

当光子击中PN接面时，会产生正负载流子对，在外加正向偏置下形成光伏效应。

这种类型的半电池具有较高的可扩展性和稳定性，并且适用于各种应用场合。

2.3 多结半电池：多结半电池通过在一个太阳能电池里添加多个不同材料的层来增强能量转化效率。

有机太阳能电池的制备与性能提升技巧随着能源危机的日益严重和对可再生能源的需求不断增长，有机太阳能电池作为一种新兴的能源技术备受关注。

有机太阳能电池以其低成本、灵活性和可持续性的特点，在可再生能源领域展示出巨大的潜力。

本文将从制备方法和性能提升技巧两个方面探讨有机太阳能电池的发展和应用。

一、有机太阳能电池的制备方法有机太阳能电池的制备方法主要分为温度依赖型和光皮型两种。

温度依赖型制备方法利用温度对有机材料性能的调控，通过控制温度来改变有机材料的结构和性能。

光皮型制备方法则是通过化学修饰或添加光敏材料，提高有机材料对光的吸收能力和电荷传输效率。

在制备方法上，还有一种新型的有机太阳能电池制备方法——卷曲薄膜制备法。

该方法借鉴了柔性电子技术中的卷曲薄膜技术，可以将有机材料制备成柔性薄膜，使电池具有更高的柔韧性和可压缩性，从而扩展了电池的应用领域。

二、有机太阳能电池性能的提升技巧1. 晶体结构设计与有机材料合成有机太阳能电池的性能优劣很大程度上取决于有机材料的特性和晶体结构。

因此，晶体结构的设计和有机材料的合成是提升有机太阳能电池性能的重要技巧之一。

通过合理设计有机材料的化学结构和晶体结构，可以改变其光学、电学和电荷传输特性，提高光吸收效率和电荷传输速率。

2. 界面工程技术界面是有机太阳能电池中光电转换的关键环节。

界面的电荷传输和能级匹配状况直接影响电池的效率。

因此，通过界面工程技术，例如表面修饰、界面激活和导电界面材料的选择等手段，可以改善界面的能级匹配和光电转换效率。

3. 光电子传导材料的优化光电子传导材料是有机太阳能电池中的关键组成部分，影响电池的光吸收和电荷传输效率。

因此，优化光电子传导材料的特性和结构是提升有机太阳能电池性能的重要技巧之一。

通过调控材料的能带结构、能级分布和电子迁移率等参数，可以改善光电子传导材料的光吸收和电荷传输特性，提高有机太阳能电池的效率。

4. 设备工艺优化有机太阳能电池的制备过程中，设备工艺的优化也对电池性能有很大影响。

有机化合物太阳能电池随着全球能源需求量的逐年增加,能源问题成为世界各国经济发展遇到的首要问题。

太阳能作为一种绿色能源,取之不尽,用之不竭,是各国科学家开发和利用的新能源之一.1954年,美国的贝尔研究所成功地研制出硅太阳能电池,开创了光电转换研究的先河。

之后关于太阳能电池的研究迅速发展起来, 最初主要集中于以单晶硅为活性材料的无机太阳能电池。

20世纪90年代又发展了砷化镓、碲化镉以及叠层GaInP/GaAs/Ge等器件,它们由单晶、多晶或非晶薄膜构成。

由于无机太阳能电池原料成本高,生产工艺复杂和窄带隙半导体的严重光腐蚀使太阳能发电不能大面积推广。

要使太阳能发电得到大规模应用,就必须降低成本。

有机半导体材料是最为廉价和最有发展潜力的太阳能电池材料,其优势表现为: 一方面,由于有机材料合成成本低,功能和结构易于调制,柔韧性及成膜性都较好；另一方面,由于有机太阳能电池加工过程相对简单,可低温操作,器件制作成本也随之降低。

除此之外,有机太阳能电池的潜在优势还包括:可实现大面积制造、可使用柔性衬底、环境友好、轻便易携等,有望应用在手表、便携式计算器、玩具、柔性可卷曲系统等体系中为其提供电能。

1.有机太阳能电池简介1.1有机太阳能电池基本原理太阳能电池的基本原理是基于半导体异质结或金属半导体界面附近的光伏效应,所以又称为光伏电池。

当光子入射到光敏材料时,激发材料内部产生电子和空穴对,在静电势能作用下分离,然后被接触电极收集,这样外电路就有电流通过. 有机太阳能电池利用的也是光伏效应。

在太阳光的照射下有机材料吸收光子,如果该光子的能量大于有机材料的禁带宽度E,就会产生激子(电子空穴对)。

激子的结合能大约为0.2～1.0eV,于相应的无机半导体激发产生的电子空穴对的结合能,因此激子不会自动解离。

两种具有不同电子亲和能和电离势的材料相结触,接触界面处产生接触电势差,可以驱动激子解离。

单纯由一种纯有机物夹在两层金属电极之间制成的肖特基电池效率很低，后来将p型半导体材料(施主Donor)和n型半导体材料(受主Acceptor)结合,发现两种材料界面处激子的解离非常有效,这就是通常所说的p-n异质结型太阳能电池。

有机太阳能电池的原理和应用一、结构和基本原理目前的有机太阳能电池可以分为三类。

第一个有机光电转化器件是由Kearns和CaIvin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。

在这种有机半导体器件中，电子在光照下被从HOMO能级激发到LUM 0能级，产生一对电子和空穴。

电子被低功函数的电极提取，空穴则被来自高功函数电极的电子填充，由此在光照下形成光电流。

理论上，有机半导体膜与两个不同功函数的电极接触时，会形成不同的肖特基势垒。

这是光致电荷能定向传递的基础。

因而此种结构的电池通常被称为“肖特基型有机太阳能电池”。

在这个器件上，他们观测到了200 mV的开路电压，光电转化效率很低。

此后二十多年间，有机太阳能电池领域内创新不多，所有报道的器件之结构都类似于1958年版，只不过是在两个功函数不同的电极之间换用各种有机半导体材料。

由于肖特基型有机太阳能电池是单纯由一种纯有机化合物夹在两层金属电极之间制成的，因此效率比较低，现在已经被淘汰。

1.2双层膜异质结型有机太阳能电池在肖特基型有机太阳能电池的基础上，1986年，行业内出现了一个里程碑式的突破。

实现这个突破的是柯达公司的邓青云博士。

这个时代的有机太阳能电池所采用的有机材料主要还是具有高可见光吸收效率的有机染料。

邓青云的器件之核心结构是由四羧基苝的一种衍生物（又称作PV）和铜酞菁（CuPc）组成的双层膜。

这种太阳能电池又叫做p-n异质结型有机太阳能电池。

在双层膜结构中，p-型半导体材料（电子给体（Do nor）,以下简记为D）和n-型半导体材料（电子受体（Acceptor），以下简记为A）先后成膜附着在正负极上（下图）。

D 层或者A层受到光的激发生成激子，激子扩散到D层和A层界面处发生点电荷分离生成载流子，然后电子经A层传输到电极，空穴经D层传输到对应的电极。

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。