有机太阳能电池原理与发展简介35页PPT

太阳能电池
启明物理0901班 庞贵明
导读
★太阳能电池的产生背景 ★太阳能电池的发展历程及现状 ★太阳能电池的原理 ★太阳能电池的分类 ★结束语
太阳能电池的产生背景
自从两次工业革命以后，煤、石油、天然气等化石燃 料相继被广泛地应用到生产生活的各个方面。随着社会经 济的不断发展和人类文明的不断进步，人类对能源的需求 量不断飞速增长。 然而，这些曾经被人们广泛应用并且现在还在被使用 的基本都是不可再生能源。其有限的储量与人类无限的需 求之间构成了不可调和的矛盾。 其次，煤、石油、天然气等化石燃料燃烧后会产生大 量的二氧化碳气体，造成温室效应，加速全球气候变暖， 给人类及其他动植物的生存构成巨大挑战。
太阳能电池的产生背景
再者，这些不可再生能源的大量使用，还会产生环境 污染、生态破坏等严重问题。 因此，开发一种储量巨大、清洁、无污染的可再生能 源已经成为当今社会的广泛共识。 与常规能源相比，太阳能具有三大优势： 其一，它是人类可以利用的最丰富的能源。据统计， 在过去的漫长的十几亿年中，太阳只消耗了它本身能量的 2%。按照这种速度计算，太阳足以供给人类使用几十亿 年，可谓取之不尽、用之不竭。
太阳能电池的发展历程及现状
1839年，法国物理学家贝克勒尔（E.Becquerel）发现液 体的光生伏特效应 【光生伏特效应：半导体受到光照时产生电动势的现象】 1877年，亚当斯（W.G.Adams）研究了硒的光伏效应， 并制作了第一片硒太阳能电池 1883年，美国发明家查尔斯描述了第一块硒太阳能电池的 原理 1918年，波兰科学家Czochralski发展了生长单晶硅的提 拉法工艺 1941年 奥尔在硅上发现光伏效应
太阳能电池的产生背景
其二，在地球上，只要有光照的地方都有太阳能，这 样我们就可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对于 交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有实用价值。 其三，太阳能是一种十分清洁的能源。在开发和利用 太阳能时，不会产生废渣、废水和废气；也没有噪音，更 不会产生大气污染、影响生态平衡等环境问题。 因此，太阳能是一种非常合适的新能源，研究和开发 太阳能，对于我们人类今后的生产生活乃至生存发展历程及现状

使用有机材料。
制造成本
钙钛矿太阳能电池的制造成本较 低，因为其使用的钙钛矿材料丰 富且易于加工。有机太阳能电池 的制造成本相对较高，因为其使
用的有机材料较贵。
效率
钙钛矿太阳能电池的效率较高， 但仍在不断提高。有机太阳能电 池的效率相对较低，但仍在逐步
提高。
THANKS
感谢观看
工艺流程
01
02
03
04
清洗基底
清洁玻璃、金属或塑料等基底 。
制备电极
通过物理或化学方法在基底上 形成导电层。
活性层涂布
将有机材料溶液涂布在电极上 ，形成薄膜。
后处理与封装
进行必要的热处理、清洗和封 装，以提高电池稳定性。
性能优化技术
材料改性
通过分子设计优化有机材料的 吸收和传输特性。
界面工程
调控界面材料的电子结构和能 级，提高电荷分离和传输效率 。
有机太阳能电池可应用于居民屋顶、 建筑立面等，实现分布式光伏发电， 提高能源利用效率。
光伏扶贫
有机太阳能电池具有成本低、易于安 装等优势，有助于实现光伏扶贫，助 力贫困地区经济发展。
移动能源领域
便携式电源
有机太阳能电池可作为移动设备的电源，如手机、平板电脑等，提供清洁、可再生的能 源。
电动汽车充电
制造成本
染料敏化太阳能电池的制造成本较低，因为其使用的染料 和二氧化钛都比较便宜。有机太阳能电池的制造成本相对 较高，因为其使用的有机材料较贵。
效率
染料敏化太阳能电池的效率较低，但仍在不断提高。有机 太阳能电池的效率相对较高。
与钙钛矿太阳能电池的比较
材料性质
钙钛矿太阳能电池主要使用钙钛 矿材料，而有机太阳能电池主要

透明导电氧化物
如氧化铟锡（ITO），具有 高透光率、低电阻率，常 用作电池的阳极。
金属电极
如铝、银等，具有良好的 导电性和稳定性，常用作 电池的阴极。
碳电极
如石墨烯、碳纤维等，具 有高导电性、低成本和环 境友好性，是电极材料的 新兴选择。
电池结构
• 单异质结结构：由单一活性层夹在两个不同电极之间构成，简单且易于制备。 • 双异质结结构：由两种不同活性层材料组成，能够拓宽光谱吸收范围，提高光电转换效率。 • 叠层结构：将多个单电池按一定方式叠加起来，能够充分利用太阳光，并提高开路电压和填充因子。 • 这些材料与结构是有机太阳能电池的核心组成部分，深刻影响着电池的性能和效率。通过不断优化材料选择与结构设计，
VS
寿命
太阳能电池的寿命是指其在正常使用条件 下性能衰减到一定程度所需的时间。提高 有机太阳能电池的寿命需要优化材料和器 件结构，降低载流子复合、界面缺陷等不 利因素。同时，合适的封装技术和存储条 件也可以延长有机太阳能电池的寿命。
05
有机太阳能电池的未来发展与挑 战
提高光电转换效率的途径
活性层材料设计与优化
影响因素
光电转换效率受到多种因素影响，包括吸收光谱匹配、载流子迁移率、激子解离效率、电荷收集效率 等。提高这些方面的性能可以有效提升有机太阳能电池的光电转换效率。
稳定性与寿命
稳定性
有机太阳能电池在长期使用过程中应保 持良好的性能稳定性。这要求材料具有 良好的光、热、氧稳定性，以及器件结 构的有效封装。
涂膜工艺
旋涂法
将配制好的溶液通过旋涂法涂布在基 底上，形成一层均匀、平整的薄膜。 旋涂速度、溶液浓度和基底温度等因 素都会影响膜厚和膜形貌。
刮刀法

特点
具有轻便、可弯曲、可穿戴、可 印刷等优点，同时有机材料来源 广泛，成本低廉，适合大规模生 产。
工作原理
工作原理
有机柔性太阳能电池利用光电效应将太阳光转化为电能。当太阳光照射到有机材 料上时，光子能量被吸收并传递给电子，电子从束缚态跃迁至自由态，形成电流 。
光电效应
光电效应是指光子照射在物质上时，物质吸收光子能量并释放电子的现象。在有 机柔性太阳能电池中，有机半导体材料作为光敏剂吸收太阳光，产生电子-空穴 对，电子和空穴在电场的作用下分离，形成光电流。
光电性能
光电转换效率
有机柔性太阳能电池的光电转换 效率是其重要的性能指标，主要 受到材料、结构、工艺等因素的
影响。
光谱响应范围
有机柔性太阳能电池的光谱响应范 围越宽，其光电转换效率越高，能 够吸收更多的太阳光。
光照稳定性
有机柔性太阳能电池在光照下的稳 定性也是其重要的性能指标，能够 保证其在长时间使用过程中性能的 稳定。
02
有机柔性太阳能电池的材料
有机半导体材料
有机半导体材料是柔性太阳能电池的重要组成部分，它们具有轻便、可弯曲和可折 叠的特性，能够适应不同形状和结构的电池设计。
有机半导体材料的种类繁多，包括共轭高分子、聚合物、小分子等，它们可以通过 不同的合成方法获得。
有机半导体材料的性能与太阳能电池的光电转换效率和稳定性密切相关，因此选择 合适的有机半导体材料是制造高性能柔性太阳能电池的关键。
金属电极材料
金属电极材料在有机柔性太阳能 电池中起到导电的作用，它们需 要具有良好的导电性能和可弯曲
性。
常用的金属电极材料包括铜、银 、铝等，这些金属材料具有较高 的导电性能和稳定性，能够满足
柔性太阳能电池的需求。

有机太阳能电池原理与发展简介
1 发展背景 2太阳能电池基本原理 3有机/聚合物太阳能电池研究进展 4 影响有机/聚合物太阳能电池效率的因素
1 发展背景
太阳能电池的工作基础是光生 伏特效应，1839年被人发现。
然而直到1954年人们才发明太 阳能电池。从此太阳能利用技 术发展迅速！
1.1硅太阳能电池
3.1 单层器件
• 只有一层同质单一极性的有机半导体材料 内嵌于两个电极之间.也称为肖特基电池
3.2 双层器件
• 在双层光伏器件中, 给体和受体有机材料分 层排列于两个电极之间, 形成平面型 D-A 界面,激子的扩散距离约为10 nm
3.3 复合层器件
• D和A共溶于一个有机溶剂中, 然后通过旋 涂等方法制成了 D 相和 A 相互相渗透并各 自形成网络状连续相的共混薄膜, 也就是所 谓的体相异质结体相异质结
3有机/聚合物太阳能电池研究进展
• 有机太阳能电池材料根据电荷的传输可分 为有机空穴传输材料（P型,电子给体简称为 D，即Donor）和有机电子传输材料（N 型 ，电子受体，简称为A，即Acceptor）
D和A是有机/聚合物太阳能电池器件不可缺 少的材料。
基于D和A的有机太阳能电池器件设计 方面出现了多种结构:单层器件、双层 或多层器件、复合层器件、层压结构 器件
• 通常这些电子-空穴是在光子激发时形成的 , 如果在电场或在界面处 ,这些电子-空穴对就 会分离成电子和空穴 ,也就是所谓的带电载 流子 ,它们的迁移就形成了光电流
• 目前高分子太阳电池面临的最大问题是其 光电转换效率仍十分低下，通常为1%~2%
• 根据推测，有机太阳能电池的光电转换效 率如能达到10%，将具有巨大的市场
1.4有机聚合物太阳能电池

2.1 半导体物理基础
本征半导体
T>0
导带 (部分填充)
EF EC EV
Valence band (Partially Empty)
在T = 0, 价带能级被电子填充 ，导带空, 导致电导率为零. 费密能级 EF 位于禁带 中间(<1 eV) 当 T > 0, 电子可以被热“激发”到导带，产生可测量的电导率.
禁带 禁带
能带
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允带 允带
允带
2.1 半导体物理基础
费米－狄拉克分布
电子和空穴在允带能级上的分布遵守费米－狄拉克分布。 能量为E能级电子占据的几率为
1 f(E)
1exp(EEF)/KT
f(E)称为费米分布函数，EF为费米能级
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2.1 半导体物理基础
费米－狄拉克分布
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金属中的准 能带的准自 自由电子（价电子）模型 由电子物理模型
金属中的自由电子除去与离子实相互碰撞的瞬间外，无相互作用。电子 所受到的势能函数为常数。 电子波函数仍然为自由电子波函数 电子受到晶格的散射，当电子的波矢落到布里渊区 边界时，发生Bragg衍射
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对于所有能级均被电子所占满的能带（满带），在外电场作用下，其电子并不 形成电流，对导电没有贡献。----- 满带电子不导电。 通常原子中的内层电子都是占满满带中的能级，因而内层电子对导电没有贡献。 对于被电子部分占满的能带（导带），在外电场作用下，电子可从外电场吸收 能量跃迁到未被电子占据的能级去，从而形成电流，起导电作用。 ----- 导带电子有导电能力。
k
Resulted from r+
2.1 半导体物理基础

高效率材料
研究并开发具有更高光电 转换效率的新型有机材料 ，以提高有机太阳能电池 的性能。
稳定性材料
寻找具有优异稳定性和耐 久性的有机材料，以延长 有机太阳能电池的使用寿 命。
多功能性材料
探索具有光吸收、电荷传 输等多功能的有机材料， 以简化电池结构并降低成 本。
制造工艺改进
溶液加工
激光图案化
优化溶液加工技术，实现大面积、低 成本的生产。
04 有机太阳能电池的性能参数
开路电压
总结词
开路电压是指在有机太阳能电池中，当 电流为0时，两电极之间的电位差。
VS
详细描述
开路电压的大小取决于电池内部的光生电 场强度和载流子的迁移率。它是评价有机 太阳能电池性能的重要参数之一，通常越 高表示电池的能量转换效率越高。
短路电流
总结词
短路电流是指在有机太阳能电池中， 当两电极短路时，流过电池的电流。
THANKS 感谢观看
采用激光图案化技术，实现高效、高 精度的电极制造。
纳米结构
利用纳米技术制造具有纳米级结构的 电极和活性层，提高电池的光电性能 。
应用领域的拓展
便携式设备
将有机太阳能电池应用于便携式 电子设备，如手机、平板电脑等
。
建筑集成
将有机太阳能电池与建筑结构相结 合，实现绿色建筑能源供应。
可穿戴设备
将有机太阳能电池应用于智能衣物 、手表等可穿戴设备，提供可持续 能源解决方案。
电子受体材料
电子受体材料是用于接受电子给体材料传递的电子并将它 们传递到电极的有机分子。它们通常具有较低的LUMO（ 最低未占据分子轨道）能级，以便有效地收集电子并阻止 它们重新回到给体材料。
常见的电子受体材料包括富勒烯、石墨烯、聚合物等。这 些材料也可以通过化学合成进行定制，以优化其光电性能 。

2.有机太阳能电池机理介绍
2.1有机太阳能电池中的基本物理过程：
光的吸收和激子的产生： 光被有机材料吸收后激发有机分 子从而产生激子。
激子的扩散和解离： 通常激子可以被电场、杂质和适 当的界面所解离。
载流子的收集：由于有机太阳能电 池器件的厚度很薄，两个电极的功 函数差值建立起来的电场较强， 可以较为有效地分离自由载流子
聚合物材料：太阳能电池上应用的聚合物首先必须是导电高分子，并 且聚合物的微观结构和宏观结构都对聚合物材料的光电特性有较大影响。 导电性聚合物的分子结构特征是含有大的π电子共扼体系，而聚合物材 料的分子量影响着共扼体系的程度。材料的凝聚状态(非晶和结晶)、结 晶度、晶面取向和结晶形态都会对器件光电流的大小有影响。主要的聚 合物材料有聚对苯乙烯(PPv)、聚苯胺(队Nl)和聚唆吩(PTh)以及它们的 衍生物等。
3.3体异质结型有机太阳能电池
物 MEH一PPv和富勒烯(C00)的衍 生物PCBM按一定的比例掺杂制 成体异质结结构，由于两种材料 互相掺杂，掺杂尺寸在几个至几 十纳米之间，这样，在掺杂层内 任何一处形成的激子都可以在其 扩散长度之内到达界面处分离 形成电荷，因而可以获得极高的 激子分离效率。
2005年，A.J.Heeger等人采用在制备电极后再对器件进行热退火处理的方法有 效地提高了电池的能量转换效率，使其光电转换效率达到了5%。
之后，太阳能电池的光电转换效率提高到5.4%左右。
今年7月，由德国的Heliatek公司，巴斯夫公司和德累斯顿大学应用研究所光物理 联合研发的叠层有机太阳能电池转换效率打破了此前5.4%的世界记录，将记录提 高为5.9%。并且该研究项目研究工作将持续到2011年6月。
有机材料合成成本低、功能易于调制、柔韧 性及成膜性都较好;.

太阳能电池ppt
xx年xx月xx日
contents
目录
• 太阳能电池概述 • 太阳能电池的技术发展 • 太阳能电池的应用领域 • 太阳能电池的优缺点分析 • 太阳能电池的未来发展趋势 • 太阳能电池的案例分析
01
太阳能电池概述
太阳能电池的定义
1
太阳能电池是一种利用太阳光照射在半导体材 料上产生电流的装置。
详细描述
该公司的钙钛矿太阳能电池采用了新型材料和结构设 计，具有高效、色彩可调、可定制等优点。这些优点 使得钙钛矿太阳能电池可以方便地应用于建筑领域， 为建筑物的能源供应和外观美化提供了重要的技术支 持。同时，该公司的钙钛矿太阳能电池还具有较高的 光电转换效率和长寿命的优点，可以为建筑物提供持 久稳定的能源供应。
自行车、摩托车等小型交通工具
太阳能电池板也可以为自行车、摩托车等小型交通工具提供电力，方便用户在户 外或没有电源的情况下使用。
04
太阳能电池的优缺点分析
优点分析
环保
太阳能电池使用太阳能作为能源，无需燃 烧化石燃料，从而减少对环境的污染。
节能
太阳能电池能够有效地利用太阳能，将其 转化为电能，从而节省能源。
制造工艺简单
01
薄膜太阳能电池采用薄膜技术制造，生产过程简单，能耗低。
轻便灵活
02
薄膜太阳能电池具有轻便灵活的特点，适用于移动设备和曲面
结构。
转化效率低
03
由于薄膜太阳能电池的厚度较薄，其光电转换效率相对较低。
多结太阳能电池
高转换效率
多结太阳能电池采用多个结结 构，能够充分利用太阳光谱，
提高光电转换效率。
详细描述
该公司的薄膜太阳能电池采用了先进的材料和制造技术，具有轻便、可弯曲、高效等优点。这些优点使得薄膜 太阳能电池可以方便地应用于手机、平板电脑、可穿戴设备等移动设备领域。同时，该公司的薄膜太阳能电池 还具有较高的光电转换效率和可靠的稳定性，可以为移动设备提供持续稳定的能源供应。

资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
2000年，5.R.Forrest研究小组通过在有机小分子制备的双层结构太阳能电池器件 的有机层和金属阴极之间插入BCP(Bathocuproine)薄膜层，使得器件的光电转换 效率提高到了2.4%，并且改善了器件的伏安特性曲线，提高了器件的稳定性。
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
1.有机太阳能电池的简介：
定义：有机太阳能电池，就是由有机材料构成核心部分，基于有机 半导体的光生伏特效应，通过有机材料吸收光子从而实现光电转换 的太阳能电池。
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
➢聚合物材料：太阳能电池上应用的聚合物首先必须是导电高分子，并 且聚合物的微观结构和宏观结构都对聚合物材料的光电特性有较大影响。 导电性聚合物的分子结构特征是含有大的π电子共扼体系，而聚合物材 料的分子量影响着共扼体系的程度。材料的凝聚状态(非晶和结晶)、结 晶度、晶面取向和结晶形态都会对器件光电流的大小有影响。主要的聚 合物材料有聚对苯乙烯(PPv)、聚苯胺(队Nl)和聚唆吩(PTh)以及它们的 衍生物等。
与前述“肖特基型”电池相比，此种结 构的特点在于引入了电荷分离的机制， 使得在有机材料中产生的激子，可以较 容易地在两种材料的界面处解离以实现 电荷分离，极大的提高了激子解离的效 率，从而获得电池器件效率的增大。