有机小分子太阳能电池与研究进展 ppt课件

第八章有机聚合物太阳电池有机太阳能电池具有以下优点：能够自行设计分子材料结构、可选择余地大；与无机太阳能电池相比，有机太阳能电池毒性较小，不容易造成污染；加工比较容易；价格比较便宜，大多有机高分子材料已经实现工业化生产，因而成本低廉；电池制作的结构可多样化并适于制作大面积柔性器件等。

因此具有制造简单、低成本、可卷曲、可大面积制备的有机太阳能电池作为新型电池越来越受到人们重视，一定会有更广阔的发展空间。

有机太阳能电池可以简单地分为染料太阳能电池和聚合物太阳能电池两大类，本章主要介绍有机聚合物太阳能电池。

8.1.2有机太阳能电池的发展历史及现状目前在太阳电池领域普遍使用的是晶体硅太阳电池,约占世界光伏组件的85%。

随着能源和环保问题日益受到重视,太阳电池产业在我国和世界上的发展突飞猛进。

再加上半导体工业其它方面的广泛应用，直接导致了硅材料的紧缺，因此其价格近两年急剧上涨,这对硅太阳电池成本的降低起到了阻碍作用,进而严重影响到太阳能光伏的广泛应用。

改变这种状况的途径有两个，一是发展无机(如硅)薄膜电池。

所谓薄膜电池就是利用较少的材料形成太阳能电池器件；二是发展日益受到重视的有机薄膜太阳能光伏电池。

近年来,以有机小分子化合物和聚合物为半导体材料的太阳电池已经成为当前有机光电子功能材料与器件研究领域中的前沿热点问题。

尤其是有机半导体技术在低价格系统中具有巨大的潜在应用前景。

尽管其性能和稳定性与硅基等无机材料相比还有较大的差距,但它所具有的一些独特性能相对于无机半导体材料有较明显的优势:(1)由于有机材料质量较无机材料轻很多,因此有机太阳电池及其组件的质量较轻;(2)有机薄膜太阳电池可在柔性或非柔性衬底上加工,因此更加灵活工艺更简单,成本更低廉;(3)有机太阳电池产品是半透明的便于装饰和有更多的应用,色彩可选;(4)生产中的能耗较无机材料更低;(5)生产过程对环境无污染。

另外，柔性有机太阳电池还有一个优点就是便于集成。

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。

✓ 材料迁移率低，高体电阻，从而导致能量转换率低。 ✓ 材料稳定，耐久性不够好，电池寿命短。
相对于制造无机电池的高昂代价来讲，有 机太阳能的研究仍旧有很强大的生命力。
➢OPV 简介
有机材料
• van de Waals 力
无机材料
• 共价键+离子键
•
没有自由载流子或者很少，因为材料 中的缺陷和杂质
•
有机薄膜晶体管组件(OTFT)
Source
Au Drain
Pentacene Thermal oxide SiO2
Gate: n+-Si substrate
Source
Au Drain
Tetracene Cross-linked PVP
ITO Gate Glass
PEDOT
印刷式柔性有机IC
OLED显示器优势
1. Acene系列: Pentacene, Tetracene, Pentacene Precursor ……
2. PTCDA系列: PTCDI, PTCBI ……
3. C60系列: PCBM ……
4. Polymer系列: P3HT, P3OT ……
导电聚合物的应用
✓ PLED和PSC的ITO电极修饰层(PEDOT,PAn等) ✓ 聚合物光伏电池(PTh和PPV衍生物等) ✓ 场效应晶体管(FET)半导体材料(PTh衍生物） ✓ 聚合物发光器件（LED&LEC,PPV和PF等） ✓ 化学电源的电极材料 ✓ 修饰电极和酶电极 ✓ 电色显示 ✓ 固体电容器 ✓ 防静电和防腐蚀材料(聚苯胺等) ✓ 微波吸收（隐身材料）
载流子传输层 载流子传输层有时候也是同时作为作用层和电极修饰层的，
他对载流子的收集性能很重要。 ➢ 激子阻挡层（BCP） ➢ LiF ➢ PEDOT：PSS ➢ 碳纳米管 影响：短路电流，填充因子

CdSe纳米晶/P3HT复合太阳能电池性能 提高途径
1、纳米晶的形状、种类、尺寸以及组分对复合 太阳能电池的影响
棒状、四足状、枝化及超枝化结 构的纳米晶在太阳能电池的应用 方面表现出的光电性能明显优于 球状纳米晶。
增加纳米棒的长度可以提高能量 转换效率
增大纳米棒的直径可以使吸收光 谱的范围向长波长移动
实线为四足状纳米晶，虚线为棒 状纳米晶
2、纳米晶表面配体对太阳能电池性能的影响
吡啶处理 在获得纳米晶后，通过吡啶回流的方式，使纳米晶表面富 集吡啶配体。 其他表面配体也相继用于对纳米晶表面的改性，如氯化物、 胺、硫醇等。
对纳米晶表面配体进行还原处理 Kriiger通过对表面配体进行还原，减少配体的链长，从而 改善了太阳能电池的性能。用己酸处理后纳米晶一方面其 吸收特性保持不变，另一方面由于配体链长的缩短导致颗 粒之间的间距减小，提高了电子的传递效率，最终电池效 率达到2%。
谢谢！
一种改善聚合物与纳米粒子相溶性的方法是直接 在聚合物分子链上引入极性官能团以使纳米粒子直接 吸附在聚合物分子链上，这样较好地解决了纳米CdSe 在聚合物中的分散问题。
CdSePPolymer1与CdSePPolymer4在不同CdSe含量下的能量转换效率曲线
当前有机无机杂化电池研究的核心问题是提高器 件的光电能量转换效率。要提高光电转换效率可从以 下5方面入手:
(5) 要选择具有合适功函数的正负极。
结语
目前, 纳米复合材料的研究与开发还处于起步阶段, 有待进一步的理论研究。其中, 形成各种聚合物基有机 一无机纳米复合材料的杂化机理; 形成的热力学与动力 学问题; 聚合物与无机物的界面键合型式、界面的稳定 性、界面在剪切力作用下的行为、材料的结构与性能、 各种功能性的开发,以及原料种类、含量、杂化条件等 对成品材料性能的影响等等. 都是很重要的研究课题。 相信在有机无机杂化电池的光电能量转换效率大幅度 提高之后，能够得到广泛应用，与化石燃料发电相媲 美。