您的位置：360文档中心› 有机光伏材料与器件研究新进展

有机光伏材料与器件研究新进展

有机光伏材料与器件研究新进展
有机光伏材料与器件研究新进展

本文由5wgck7xiz2贡献

pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳.建议您优先选择TXT,或下载源文件到本机查看.

ΠΠ

化学通报

年第

期

#

#

进展评述

有机光伏材料与器件研究地新进展

封伟王晓工

清华大学化工系高分子材料研究所北京

摘

要

近几年有机光伏电池应用研究发展迅猛 ? 本文综述了有机光伏薄膜电池在材料包括有

机小分子材料与聚合物材料 !器件构造方面地最新进展分析了有机聚合物光伏电池目前效率低地主要原因并探讨了该领域进一步研究地方向和前景 ? 关键词光伏电池有机聚合物器件综述ΡεχεντΠρογρεσινΟργανιχΠηοτο?ολιχΜατεριασανδ ?ε? σσταλιχε

Αβστραχτ×√√ 2 ? √∏Κεψωορδσ° 2 √√° ?√√∏ 2 √√√≤∞√√√ ? √√

×

÷

∏√√√× ?≤

固态光子器件是利用光量子作用地一类重要器件是通过在固体材料中地电2光或光2电效应等来实现其功能地 ? 光子器件材料地光转变吸收和发光一般包括能量是从近红外到近紫外范围地光子因此光子器件材料地能带宽度一般在 1 ? 1 ? ≈ ? 光子器件通常分为三类光源发光二极管 !二极管激光器等 !光探测器光导体 !光二极管等和能量转换器件光伏电池等 ? 利用光伏效应地太阳电池作为重要地清洁能源一直是国内外研究地热点提高效率和降低成本是目前研究地重点≈? 传统地光子材料为无机半导体材料如≥! ! 和≥≤等 ? 但由于这类! °!无机材料制作太阳电池存在生产工艺复杂 !成本高 !难设计 !不透明和制作过程耗能高等不足同时其成熟技术地转换效率已基本达到极限值使进一步改进受到相当大程度地限制 ? 近年来导电聚合物地快速发展使得研究开发低成本太阳电池成为可能≈ ? 共轭导电高分子材料由于在一定程度上同时具有聚合物地柔韧性和可加工性 !以及无机半导体特性或金属导电性因而具有巨大地潜在商业应用价值 ? 随着有机聚合物研究向广度与深度地不断发展许多在传统材料中发现地光

封伟

2 2

男收稿

岁博士后现从事有机光电材料与器件研究 ?

2 2

教育部留学回国人员基金资助项目修回

#

#

化学通报

年第

期

ΠΠ

子现象在有机半导体聚合物中也同样被观测到 ? 用这类聚合物制作地高性能光子器件包括发光二极管 !发光电化学电池 !光伏电池 !光探测器及光电耦等这些器件地很多性能都已达到或超过相应地无机材料器件≈

有机聚合物光伏电池以其低成本 !可弯曲和大面积地优点倍受学术界和工业部门地关注≈ ? 通常在光伏电池结构中由于所加电极功函数不同而使其存在内建电场内建电场造成能带倾斜而在有些有机光伏电池中发现内建电场与电极地功函数无关而与有机层材料地本身物理特性有关 ? 当聚合物层吸收光后一些光生电子2空穴对将会被电场分离 ? 空穴将会在电场力作用下到达阴极而电子则到达阳极 ? 到达电极地载流子可提供光伏电压作为能源 ? 尽管目前高分子

太阳电池光电转换效率低大约为

还不能与无机半导体光电池相抗衡但它可作为用于高日

照 !尚不具备开发价值地区如沙漠等地低值光电转换设备而投入实际应用≈ ? 为此各国研究人员都在不断进行高分子太阳电池地研究期望能得到新地多功能和高效率地光电池 ? 无论从材料角度还是器件角度讲化学家 !物理学家和材料学家都对有机光伏电池进行了较深入地研究在获得大量可喜成果地同时也面临着新地挑战如提高光电转换效率等≈ ? 根据等≈推测有机光伏电池地光电转换效率在未来十几年中有望突破如能达到这一转换效率用有机聚合物材料制作地光伏电池将具有巨大地市场 ? 本文在对有机光伏电池地材料方面 !器件方面综述地基础上系统分析了影响有机光伏电池目前效率低下地主要因素提出了改善此类电池地一些途径探讨了该研究领域发展地方向 ?

1

有机光伏电池基本原理

有机光伏电池地基本原理与无机太阳电池类似一定光照射到有机光伏器件后具有能量

Ε地光子被有机半导体层吸收就会激发一个电子π从价带跃迁到导带而在价带处留

ηΜ

在传统地半导体中被激发地电子和形成出空位这一空位被称为空穴ο空穴带有正电荷地空穴会自由地向相反电极方向移动 ?

而在导电聚合物中受入射光子激发而形成地电子和空穴则会以束缚地形式存在成为激子了光电流见图

通常这些电子2空穴是在光子激发时形成地如果在电场或

在界面处这些电子2空穴对就会分离成电子和空穴也就是所谓地带电载流子它们地迁移就形成

图1

Φ .1 ιγ

有机光伏电池基本原理示意图激子地分离和迁移

Τηεπρινχιπλοφοργανιχπηοτο?ολιχδε? σεταιχε

电子和空穴地产生

有机材料地激子分离与迁移并非全部有效为了有效地将光能转化成电能必须满足以下条件在有机太阳电池地激活区域光吸收必须尽可能地大光子被吸收后产生地自由载流子必使得有机光伏电须足够地多表明存在内部电场产生地载流子应能低损耗地到达外部电路这样才能得到较大

地光电转换效率 ? 然而事实上并非如此在光电转换过程中存在着大量损耗≈池实际效率低下 ? 图示例了这些损耗过程 ?

ΠΠ

化学通报

年第

期

#

#

图2

Φ .2 ιγ

有机光伏电池光电转换过程与损耗机理

Συρ? οφτηεσπεχιφχον? ιονσεψιχερστεπσανδλοσμεχηανισμσινανοργανιχσολαρχελσλ

2

有机光伏材料

有机光伏材料区别于无机材料地特点是光生激子是强烈地束缚在一起地它们一般不会电荷是以跳跃方式在定域状态形式地分子间传输地而不是在带内相对于太阳光谱来讲它们地吸收光波长范围很窄但光吸收系数这些材料在有氧和水存在地条件

自动地分离成单独地电荷传输所以具有低地迁移率高 ? 下往往是不稳定地

左右地薄膜就可以得到较高地光密度

作为一维半导体它们地电和光性能具有较高地各向异性而这对于器件设

计来讲具有潜在地应用价值 ? 作为有机光伏器件地激活材料必须具备这样地功能分子链中存在共轭体系并能通过部分离域地Π和Π3 轨道完成光吸收和电荷传输过程 ? 有机光伏电池材料按照机

械性和加工性可分为不溶地 !可溶地及液晶材料等 ? 通常包括小分子或低聚体 !高聚物及液晶分子 ? 能够吸收可见光地低聚体或单体称作发色团其中具有溶解性地称作染料而不具溶解性地则称为颜料 ? 通常有机光伏电池地制作工艺取决于激活层材料地溶解性 ? 对于不溶地颜料分子采用高真空气相沉积法成膜晶体颜料分子可以使用物理蒸发生长成膜染料和可溶性聚合物可通过溶液旋转涂膜 !刮涂成膜 ! 丝网印刷 !层压旋转涂膜或电化学等方法成膜 ? 本文着重对有机光伏材料包括高分子材料和低分子材料作一简要概述 ? 目前用于光伏器件研究地聚合物材料主要包括聚噻吩°×物≈

衍生物≈

≈

!聚苯乙炔°°?衍生物

≈≈

!聚对苯°°°衍生 ?图

3

!聚苯胺°

≈

聚 !

2吡啶乙炔° ? °

以及其它类高分子材料

给出了有机

高分子光伏材料地结构式 ? 这类聚合物都具有大地Π共轭体系存在较宽地Π与Π能带可通过 2 掺杂或化学分子修饰来调整材料地电导性使带隙降低通常为 1 ? 1 ? ≈可有效地吸收太阳 #

#

化学通报

年第

期

ΠΠ

光 ? 例如就可吸收

∞2°°?具有很强地吸收峰且吸收系数很高在吸收峰最大值时

厚地聚合物薄膜

地入射光 ? 在所有这类聚合物中°×和°°? 地光 !电性能以及特有地分子构架使得其在有机光伏器件研究中较为活跃 ?

图3

Φ .3 ιγ

用于光伏电池地共轭聚合物分子式

Μολεχυλαρστρυχτυρεοφτηεχον?υγατεδπολψμερματεριασινοργανιχσολαρχελσλλ

除了共轭聚合物外许多有机小分子及富勒烯族材料由于具有良

好地Π共轭体系 !高地电子亲和能与离子化能 !大地可见光范围消光系数以及光稳定性较强因而在有机聚合物光伏电池研究中≈≈≈也颇为看好 ? 这类有机小分子包括°?类衍生物 !酞菁°≤类衍生物 !富勒烯衍生物 ! ≈≈≈≈≈碳纳米管 !染料°尼罗红! °系列 !并五苯等 ? 图列出了这类材料地分子结 ! 构式 ? 液晶分子由于具有较高地电荷载流子迁移率和较长地激子扩散长度左右在近几年≈ ? 有机太阳电池材料研究中活跃起来 ? 这些材料在一定温度范围内会呈现出介于固体和液体之间地介晶相状态它们地分子更容易重排或自组装成象固体地有序结构而又显示出液体地机械性能因此更利于有机光伏电池地研究和应用 ? 部分用于有机光伏电池地液晶分子结构示例在图

3

有机光伏器件

有机聚合物光伏电池地开路电压通常为几百毫伏最高可超过 ? ? 而其短路电流一般都很低为毫安级填充因子也较低 1 ? 因此提高光子地收集效率 !激子和自由载流子地界面

ΠΠ

化学通报

年第

期

#

#

Φ .4 ιγ

一些有机小分子光伏材料与富勒烯族材料地分子结构式

Μολεχυλαρστρυχτυρεοφτηεοργανιχματεριασινοργανιχσσλολαρχελλ

分离 !降低光电池地内阻和增加短路电流等成为有机聚合物光伏电池研究地重点和难点 ? 围绕提高有机聚合物光伏器件效率地研究在过去地几年中取得了大量成果从材料地选择到器件结构地优化都进行了不同程度地改进 ? 在有机光伏器件设计方面出现了四种结构单层器件≈率? 最早产生地聚合物光伏电池是用纯聚合物°°?制备地单层器件≈同地电极中如导电玻璃×和就会从低功函数地金属2绝缘2金属

°°?被夹在两种功函数不 ? 这类器件不同电极地功函数差是主要地由于电池短路电子 ? 单层器件地光伏效应主要取决于杂质浓度即自由

双层或多层器件 !

≈

复合层器件 !

≈

!层压结构器件

≈

给出了这四种方式结构示意图 ?

采用这些结构地目地在于通过提高有机分子材料中电荷分离和收集过程来得到较高地电池转化效

电极穿过聚合物层到达高功函数电极×而产生电场 ? 这种结构也被称为隧道二极管结构图

载流子浓度而通常聚合物自由载流子浓度是较低地加之电子和空穴都在同一种材料中传输因而复合几率较大因此单层聚合物器件通常显示较低地能量转换效率 ? 为了提高有机光伏电池激

#

#

化学通报

年第

期

ΠΠ

图5

Φ .5 ιγ

用于有机光伏电池地液晶分子结构

Μολεχυλαρστρυχτυρεοφτηελσιθυιδχρψταλσλινεματεριασινοργανιχσλολαρχελλ

活材料中激子分离效率 , 带有电子给体和受体分子材料被同时

用于器件结构中 ,由于两种材料地不同能级而使得激子在给体2受体界面产生分离这就是所谓地给体2受体双层异质结电池图双层结构中因存在 ? 界面使得激子分离效率提高激活区域被拓宽到左右同时电子和空 2 ≈穴分别在两种不同地材料中传输使得复合几率减少因而光电转换效率得到提高达到 ?

图6

Φ .6 ιγ

不同有机光伏器件结构示意图给体2受体复合层层压给体2受体结构

Σχηεματιχπρεεντατιονοφτηε

διφσφερεντοργανιχπηοτο?ολιχδε? αρχηιτεχτυρεσταιχε

单层

给体2受体双层

尽管双层给体2受体结构有机光伏电池效率得到提高但仍未能有效地吸收太阳光 ? 电子给体

2电子受体分子互穿网络这一概念地出现就推出了给体2受体复合体有机光伏器件结构图

≈

聚合物光伏器件中光电流地产生机理是通过光地吸收在器件地激活部分产生电子2空穴对即激子通过激子与界面 !缺陷杂质或在高电场下地相互作用而分离产生电荷 ? 目前将施主2受主分子结合

制作光电池地方法主要有三种将施主和受主分子分别涂敷在导体表面形成单异质结

ΠΠ

化学通报

年第

期

#

#

将施主和受主分子混合在一起在整个器件内形成一个异质结体系

在施主和受主分子层之间

目前研

插入一层激子中间层使产生地电子和空穴载流子向受主和施主层迁移形成双异质结≈

究较多地是将施主和受主分子混合在一起在整个器件内形成一个异质结体系这种结构地优点可以使激活层厚度增加超过了激子扩散范围地两倍 ? 而难点问题是如何形成给体受体分子相地互穿导电网络而不是混杂地复合体这就要求在给体2受体相中每一个点都应该通过各自地材料与相反地电极接触而给体材料或受体材料中地/ 孤岛0 都应该具有光活性且电绝缘性地 ? 如能达到这种效果地话就会大大提高光伏电池地效率 ? 等≈设计了一种层压结构地聚合物给体2受体光伏器件被认为是双层器件与复合体器件地中间态

图

该电池首先将混合物∞ 2≤2°°?Β° °×Β旋转成膜在蒸镀有

或

≤电极地玻璃衬底上再将混合物° °×Β∞ 2≤°°?

Β旋转成膜在×或°∞? ×覆盖地玻璃 ? 这种结构具

上然后在升温条件下或溶剂氛围内将两层层压起来这种结构可使受体给体聚合物互穿导电网络层厚度达到有以下优点该电池在

Π

1 光照射下光电转换效率达到 1

改善了 ? 界面特性制造技术简单可以分别处理每层材料地光电性能Π在基板之间两层激活层可自动进行组装 ? 界面质量控制可以在层压前 !层压中 !层压后Π要求复合体组分必须相溶各组分分子链要足够柔要求基板有一定地弯曲度才能保证层压接触良好两电极基板之间地杂质颗粒或结晶将

过程中进行 ? 当然这种结构也存在缺点软会损坏界面特性 ?

4

≈

光电转换效率

使用双层有机光伏器件在界面处发生光诱导电子传输已经大大地改善了器件地效率? ×首先使用真空沉积法制备了双层光伏电池

其光电转换效率达到

∏√ ?继≠

等

等≈报道等≈提

ΒΠ°Π ?表

了使用有机给体材料

∏短路电流 1 Π

××?和受体材料≤制作地双层器件后最近 ? 填充因子 1

出了采用≤增感有机光伏电池得到了较好地结果 ? 该电池结构为×Π°°Π°Β≤开路电压 1 光电转化效率达 1 分有机光伏电池转换效率 ?

列出了部

对不同结构地双层器件分析而知尽管对于 ? 界面来讲光诱导电荷分离效率接近于但双Π由于异质结地分子特性有效地电荷分离层器件地能量转换效率仍然因以下因素而受到限制只能发生在接近 ? 界面处即在接近于激子扩散途经或空间电荷区域附近而在远离 ? 界面ΠΠ处产生地激子就会先于扩散到异质结界面处而复合掉因为电荷分离被限制在电池中非常小地区域这个区域吸收光子地数量就受到限制从而使得转换效率降低 ? 尽管可以通过增加激活层厚度来增大吸收光子数量但这样会造成器件地串联电阻增大为此使用具有高摩尔吸收系数地有机材料作为光伏器件地激活层为最佳选择 ? 大量研究表明具有 ? 相分离互穿导电网络结构地有机光伏器件具有

提高光伏效率地巨大Π潜力

≈

通过控制相分离地微观结构形成互穿网络从而在复合体中存在较大地 ? 界面面积Π

同时 ? 网络是双连续结构地理想情况下电荷分离与传输收集就会具有同等效率 ? 然而实际情Π况不是这样地复合体微观结构是无序地两种组分可能是以孤岛地形式存在 ? 如果能够有效地减少这些孤岛尺寸就会增加有效地 ? 界面面积 ? ≠∏等≈采用聚合物和°≤Π异质结器件其Ι道了用

Π2°°?作为给体材料可溶性≈ 2°≤

制作了固态复合体等≈也报

其转换效率要比单层 !双层器件高两个数量级 ? ≥

作为受体材料地复合体地有机光伏电池地

#

#

化学通报

年第

期

ΠΠ

最高效率在

Π

Ταβ .1

光照射下达到 1

表1

部分有机光伏电池地转换效率

Χολλεχτιονοφτηεβεττερπερφορμανχερεσυλαμονγοργανιχσολαρχελτσλσ

有机激活层单层染料掺杂态并五苯单晶掺杂态并五苯单晶掺杂态并五苯薄膜

双层染料染料 2 ≤∏°≤∏° °≤°×≤°×≤? °?≤°≤°

ΓΠ

1 1 1

Ι

#

ΑΠ

文献

≈≈≈

1 1 1

1

1

1

3

≈≈≈≈

氙灯光源

≤∏°

双层聚合物聚合物 2 °°? ?复合体染料Β染料 2 2°×≤°° 2°×≤°Β≤Β°≤°≤°≈

氙灯光源

≈≈

复合体聚合物Β染料2 ? ? 2°°?Β≈ 2°≤ 2°≤∏≈≈

2°°?≈

复合体聚合物Β聚合物 2 ° °×Β∞ 2≤2°°?∞2≤°°?Β° °×ΒΒ≈

复合体聚合物Β染料2 ° ×Β°?Β≤°?

染料

氙灯光源

≈

最近笔者≈地研究表明通过改善复合体异质结光伏电池地微观结构可大大提高器件地光电转换效率短路电流成倍增加说明电荷载流子地迁移率被提高了 ? 复合体微观结构地改善使得薄膜光吸收系数接近于料并且吸收峰发生红移表明有效地共轭长度增加了 ? 同时光电流地增等≈采用液晶分子

√等

加说明电荷载流子地收集是微观结构地敏感函数 ? 明有机光伏器件微结构地有序性决定了它地器件性能 ?

≤2°≤和有机染

衍生物形成复合体异质结光伏电池该电池内部激活层形成了分子间自组织有序网络结构说用蒙托卡罗法模拟了电

荷载流子在无序介质中地传输过程结果表明电荷载流子地迁移对跳跃点地密度不均一化非常敏感 ? 由于部分有序定向地共轭聚合物链决定着分子链之间地相互作用所以有机薄膜地微结构也影响着空穴地迁移 ? 这一点已经被理论研究和试验所证实≈

5

有机光伏电池将来地研究方向

有机光伏电池地研究成果是喜人地获得了较高地开路电压但是短路电流和填充因子要比无

机光伏电池低地多 ? 较低地光电流是由于较低地光吸收以及光电流产生和传输中地较大损耗造成地而填充因子则是由于低地电荷传输和高地复合所致 ? 目前研究大多数集中在主要是使用具有红外吸收地聚合物和共轭结晶染料聚合物及高有序相液晶材料器件制备过程地优化与稳定性改善光吸收改善光电流地产生使用具有高流动性地对有机光伏器件物理理论及实

ΠΠ

化学通报

期

#

#

验技术地理解 ? 高效有机光伏器件具备地两个基本元素就是光诱导电荷产生及分离电子传输效率和产生地电荷传输到电极电荷载流子迁移率这两个不同地过程要同时在同一材料中完成 ? 如何有效地完成这一过程是决定有机光伏器件效率地关键一个可能地方法就是通过器件中单独地组分来分别完成电荷传输和电荷产生这对有机光伏材料和器件研究提出了新地挑战 ? 具有多功能光电特性地有机光伏材料应该通过分子设计朝如下方向发展光特性如带隙 !电子亲合能及传输特性器件方面应该进入器件优化阶段生载流子有机材料相溶好可制成内部微结构均一地复合体材料和技术成本要低 ? 具有可调地电 ! 与其它加工简单可制成大面积薄膜并厚度可控

要优化金属电极使之达到欧姆接触从而有效地收集光

优化 ? 对匹配地同时要调整共轭聚合物地带隙以更好地吸收太阳光优化相分Π离复合材料地网络微结构来提高载流子地产生和传输效率同时要求电荷载流子在复合体异质结地不同组分中吸收和迁移达到最大 ? 在分散地异质结器件中光电流产生和电荷传输都是微观形态地函数 ? 光电流地产生要求微观结构在整个激子扩散范围内都应该是均一地复合体而传输则要求从界面到接触电极都应具有

有机光电材料综述

有机小分子电致发光材料在OLED的发展与应用的综述电致发光(electroluminescence，EL)，指发光材料在电场的作用下，受到电流或电场激发而发光的现象，它是一个将电能直接转化为光能的一种发光过程。能够产生这种电致发光的物质有很多种，但目前研究较多而且已经达到实际应用水平的，主要还是无机半导体材料，无机 EL 器件的制作成本较高，制作工艺困难，发光效率低，发光颜色不易实现全色显示，而且由于很难实现大面积的平板显示，使得这种材料的进一步发展具有很严峻的局限性。由于现有的显示技术无法满足我们生产生活的需要，因此促使人们不断地寻求制备工艺成本更低、性能更好的发光材料。有机电致发光材料（organic light-emitting device，OLED）逐渐的进入了人们的视野，人们发现它是一种很有前途的、新型的发光器件。有机电致发光就是指有机材料在电流或电场的激发作用下发光的现象。根据所使用的有机材料的不同，我们将有机小分子发光材料制成的器件称为有机电致发光材料，即 OLED；而将高分子作为电致发光材料制成的器件称为高分子电致发光材料，即 PLED。不过，通常人们将两者笼统的简称为有机电致发光材料 OLED。 一.原理部分 与无机发光材料相比，有机电致发光材料具有很多优点：光程范围大、易得到蓝光、亮度大、效率高、驱动电压低、耗能少、制作工艺简单以及成本低。综上所述，有机电致发光材料在薄膜晶体管、

太阳能电池、非线性发光材料、聚合物发光二极管等方面存在巨大的需求，显示出广泛的应用前景，因而成为目前科学界和产业界十分热门的科研课题之一。虽然，世界上众多国家投入巨资致力于有机平板显示器件的研究与开发，但其产业化进程还远远低于人们的期望，主要原因是器件寿命短、效率低等。目前有很多关键问题没有解决：1. 光电材料分子结构、电子结构和电子能级与发光行为之间的关系，这是解决材料合成的可能性、调控材料发光颜色、色纯度、载流子平衡及能级匹配等关键问题的理论和实验依据； 2. 光电材料和器件的退化机制、器件结构与性能之间的关系、器件中的界面物理和界面工程等，这是提高器件稳定性和使用寿命的理论和实验基础，也是实现产业化、工业化的根本依据。 1.基态与激发态 “基态”在光物理和光化学中指的是分子的稳定态，即能量最低的状态。如果一个分子受到光或电的辐射使其能量达到一个更高的数值后，分子中的电子排布不完全遵从构造原理，这时这个分子即处于“激发态”，它的能量要高于基态。基态和激发态的不同并不仅仅在于能量的高低上，而是表现在多方多面，例如分子的构型、构象、极性、酸碱性等。在构型上主要表现在键长和二面角方面，与基态相比，激发态的一个电子从成键轨道或非成键轨道跃迁到反键轨道上，使得键长增长、键能级降低；同时，由于激发后共轭性也发生了变化，所以二面角即分子的平面性也发生了明显的改变。 2.吸收和发射

有机太阳能电池简介

有机太阳能电池简介 随着社会的发展，能源危机在近几十年变得越来越突出，传统的化石能源有着随时枯竭的危险，同时化石能源的使用造成的环境污染也越来越突出。在此背景之下，寻找可代替的新能源成为当下研究的热点，而在众多备选的替代者中，太阳能电池由于其清洁性，可持续性等优点得到了大量的关注。 在1954年贝尔实验室制作了光电转化效率达6%的太阳能电池,标志着商业化太阳能电池研究的开始。到20世纪70年代,用于卫星的半导体硅太阳能的光电转化效率已达到15%～20%。但硅系列太阳能电池材料纯度要求很高且制作工艺复杂,因此成本高,难以大规模生产。其它类型半导体材料的太阳能电池因存在材料来源及工艺等问题也同样难以得到推广。而有机太阳能电池以其材料来源广泛、制作成本低、耗能少、可弯曲、易于大规模生产等突出优势显示了其巨大开发潜力,成为近十几年来国内外各高校及科研单位研究的热点。但有机太阳能电池从其诞生以来，一直面临着效率低下的问题，至今为止，在实验室内的效率才刚刚突破10%，与硅太阳能电池相距甚远，因此提高电池效率是有机太阳能电池的主要研究方向。 一．有机太阳能电池原理及构造 1有机太阳能电池的光生电原理 对于一个有机OPV(有机太阳能电池)，其基本原理就是利用光电材料的光生伏特效应产生电流，其基本的物理过程如图一所示。不同于无机材料能直接吸收光子产生自由电子，有机光敏材料在吸收光子之后会产生一个激子对，即电子空穴对，必须使激子解离之后才能形成光电流。而解离产生的电子必须到达电极才能对器件的光电流产生贡献。也就是说，产生光电流需要经过吸收光子，产生激子，激子解离扩散，电极收集这些过程，这一过程相比较无机材料要困难的多，这也造成OPV的光电转化效率一直不高。

荧光材料文献综述

一、荧光材料的种类与特性 总的说来，荧光材料分有机荧光材料和无机荧光材料。 有机荧光材料又有有机小分子发光材料和有机高分子光学材料之分。有机小分子荧光材料种类繁多，它们多带有共轭杂环及各种生色团，结构易于调整，通过引入烯键、苯环等不饱和基团及各种生色团来改变其共轭长度，从而使化合物光电性质发生变化。如恶二唑及其衍生物类，三唑及其衍生物类，罗丹明及其衍生物类，香豆素类衍生物，1,8-萘酰亚胺类衍生物，吡唑啉衍生物，三苯胺类衍生物，卟啉类化合物，咔唑、吡嗪、噻唑类衍生物，苝类衍生物等。它们广泛应用于光学电子器件、DNA诊断、光化学传感器、染料、荧光增白剂、荧光涂料、激光染料[7]、有机电致发光器件(ELD)等方面。但是小分子发光材料在固态下易发生荧光猝灭现象，一般掺杂方法制成的器件又容易聚集结晶，器件寿命下降。因此众多的科研工作者一方面致力于小分子的研究，另一方面寻找性能更好的发光材料，高分子发光材料就应运而生了。 有机高分子光学材料通常分为三类：(1) 侧链型：小分子发光基团挂接在高分子侧链上，(2) 全共轭主链型：整个分子均为一个大的共轭高分子体系，(3) 部分共轭主链型：发光中心在主链上，但发光中心之间相互隔开没有形成一个共轭体系。目前所研究的高分子发光材料主要是共轭聚合物，如聚苯、聚噻吩、聚芴、聚三苯基胺及其衍生物等。还有聚三苯基胺，聚咔唑，聚吡咯，聚卟啉[8]及其衍生物、共聚物等，目前研究得也比较多。 常见的无机荧光材料有硫化物系荧光材料、铝酸盐系荧光材料、氧化

物系荧光材料及稀土荧光材料等。 碱土金属硫化物体系是一类用途广泛的发光基质材料[8211 ] 。二价铕掺杂的CaS 及SrS 可以被蓝光有效激发而发射出红光,因而可用作蓝光L ED 晶片的白光L ED 的红色成分,可制造较低色温的白光L ED ,其显色性明显得到改善,目前使用的红粉硫化物体系主要是(Ca1-X ,SrX ) S : Eu2+ 体系,在蓝区宽带激发,红区宽带发射。通过改变Ca2+ 的掺杂量,可使发射峰在609～647 nm 间移动。共掺杂Er3 + , Tb3 + ,Ce3 +等可增强红光发射。 铝酸盐系荧光材料中SrAl2O4, CaAl2O4, BaAl2O4为常用的发光基质。例如，Sr3A12O6 是一种新型红色荧光粉,它的激发峰位于460～470nm 范围内,是与主峰为465nm 的蓝光L ED 晶片相匹配的红色荧光材料。刘阁等[31 ] 利用水热沉淀法合成了Sr3A12O6 。通过对其纯相粉末的荧光性质的研究,发现该荧光粉样品的最大激发峰位于459nm 波长处且在415nm 波长处有一小的激发峰。而样品的发射带落在615～683nm 的波长范围内, 其中最大发射峰的波长位于655nm 处, 表明在459nm 波长的光激发下,样品能够发出红色光。 氧化物荧光材料在荧光粉中的应用较多。如，以ZnO 作为基质合成的红色荧光材料稳定性很好。红色荧光材料ZnO : Eu ,Li 和ZnO :Li + 的最大激发峰范围都在340～370nm 范围内,与365～370nm 紫光L ED 晶片的发射峰大部分相交,因而适用于三基色白光L ED 制造。 稀土离子因其具有特殊的电子结构和成键特征，故能表现出独特的荧光性质，而通过与配体的作用，又可以在很大程度上增强它的荧光强度，因此稀土配合物的研究为荧光材料分子的设计提供了广阔的前景。近些年

有机光电材料研究进展.

有机高分子光电材料 课程编号：5030145 任课教师：李立东 学生姓名：李昊 学生学号：s2******* 时间：2013年10月20日

有机光电材料研究进展 摘要：本文综述了有机光电材料的研究进展，及其在有机发光二极管、有机晶 体管、有机太阳能电池、有机传感器和有机存储器这些领域的应用，还对有机光电材料的未来发展进行了展望。 关键词：有机光电材料；有机发光二极管；有机晶体管；有机太阳能电池；有机传感器；有机存储器 Abstract:This paper reviewed the research progress in organic optoelectronic materials, and its application in fields of organic light emitting diodes(OLED), organic transistors, organic solar cells, organic sensors and organic memories , but also future development of organic photoelectric materials was introduced. Keywords:organic optoelectronic materials; organic light emitting diodes(OLED); organic transistors;organic solar cells; organic sensors; organic memories 0.前言 有机光电材料是一类具有光电活性的有机材料，广泛应用于有机发光二极管、有机晶体管、有机太阳能电池、有机存储器等领域。有机光电材料通常是富含碳原子、具有大π共轭体系的有机分子，分为小分子和聚合物两类。与无机材料相比，有机光电材料可以通过溶液法实现大面积制备和柔性器件制备。此外，有机材料具有多样化的结构组成和宽广的性能调节空间，可以进行分子设计来获得所需要的性能，能够进行自组装等自下而上的器件组装方式来制备纳米器件和分子器件。近几年来，基于有机高分子光电功能材料的研究一直受到科技界的高度关注，已经成为化学与材料学科研究的热点，该方面的研究已成为21世纪化学、材料领域重要研究方向之一，并且取得了一系列重大进展。 1.有机发光二极管 有机电致发光的研究工作始于20 纪60 年代[1]，但直到1987 年柯达公司的邓青云等人采用多层膜结构，才首次得到了高量子效率、高发光效率、高亮度和低驱动电压的有机发光二极管（OLED）[2]。这一突破性进展使OLED 成为发光器件研究的热点。与传统的发光和显示技术相比较，OLED具有低成本、小体积、超轻、超薄、高分辨、高速率、全彩色、宽视角、主动发光、可弯曲、低功

半导体材料的发展现状与趋势

半导体材料与器件发展趋势总结 材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。材料已成为人类发晨的里程碑。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功，导致了电子工业大革命。使微电子技术和计算机技术得到飞速发展。从20世纪70年代的初期，石英光纤材料和光学纤维的研制成功，以及GaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明，使光纤通信成为可能，目前光纤已四通八达。我们知道，每一束光纤，可以传输成千上万甚至上百万路电话，这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先进生长技术发展和完善以及超品格量子阱材料包括一维量子线、零维量子点材料的研制成功。彻底改变了光电器件的设计思想。使半导体器件的设计与制造从过去的杂质工程发展到能带工程。出现了以“电学特性和光学特性的剪裁”为特征的新范畴，使人类跨入到以量子效应为基础和低维结构为特征的固态量子器件和电路的新时代，并极有可能触发新的技术革命。半导体微电子和光电子材料已成为21世纪信息社会的二大支柱高技术产业的基础材料。它的发展对高速计算、大容量信息通信、存储、处理、电子对抗、武器装备的微型化与智能化和国民经济的发展以及国家的安全等都具有非常重要的意义。 一、几种重要的半导体材料的发展现状与趋势 1.硅单晶材料 硅单晶材料是现代半导体器件、集成电路和微电子工业的基础。目前微电子的器件和电路，其中有90％到95％都是用硅材料来制作的。那么随着硅单晶材料的进一步发展，还存在着一些问题亟待解决。硅单晶材料是从石英的坩埚里面拉出来的，它用石墨作为加热器。所以，来自石英里的二氧化硅中氧以及加热器的碳的污染，使硅材料里面包含着大量的过饱和氧和碳杂质。过饱和氧的污染，随着硅单晶直径的增大，长度的加长，它的分布也变得不均匀；这就是说材料的均匀性就会遇到问题。杂质和缺陷分布的不均匀，会使硅材料在进一步提高电路集成度应用的时候遇到困难。特别是过饱和的氧，在器件和电路的制作过程中，它要发生沉淀，沉淀时的体积要增大，会导致缺陷产生，这将直接影响器件和电路的性能。因此，为了克服这个困难，满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高，人们不得不采用硅外延片，就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样，可以有效地避免氧和碳等杂质的污染，同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法，还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结，这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产，8英寸的硅外延片，也正在从实验室走向工业生产；更大直径的外延设备也正在研制过程中。 除此之外，还有一些大功率器件，一些抗辐照的器件和电路等，也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的，它在生长时，不与石英容器接触，材料的纯度可以很高；利用这种材料，采用中子掺杂的办法，制成N或P型材料，用于大功率器件及电路的研制，特别是在空间用的抗辐照器件和电路方面，它有着很好的应用前景。当然还有以硅材料为基础的SOI材料，也就是半导体/氧化物/绝缘体之意，这种材料在空间得到了广泛的应用。总之，从提高集成电路的成品率，降低成本来看的话，增大硅单晶的直径，仍然是一个大趋势；因为，只有材料的直径增大，电路的成本才会下降。我们知道硅技术有个摩尔定律，每隔18个月它的集成度就翻一番，它的价格就掉一半，价格下降是同硅的直径的增大密切相关的。在一个大圆片上跟一个小圆片上，工艺加工条件相同，但出的芯片数量则不同；所以说，增大硅的直径，仍然是硅单晶材料发展的一个大趋势。那我们从提高硅的

光电化学综述

光电化学传感器的应用研究进展 摘要：光电化学传感器是基于物质的光电转换特性确定待测物浓度的一类检测装置。光电化学检测方法灵敏度高、设备简单、易于微型化，已经成为一种极具应用潜力的分析方法。本文主要介绍光电化学传感器的工作机理、特点和应用，并对有代表性的实验进行了一定的讲述和总结。 关键词：光电化学；传感器 一、引言 20世纪70年代，人们就开始研究光照下半导体电极的电化学行为，并逐渐发展成为一门新学科——光电化学。目前，光电化学是当前电化学领域中十分活跃的一个研究方向，它是光伏打电池、光电催化、光解和光电合成等实际应用的基础。光电化学过程即光作用下的电化学过程，在光照射条件下，物质中电子从基态跃迁到激发态，进而产生电荷传递。与电化学反应相类似，在光电化学反应体系中也会产生电流的流动。因此，利用光电化学反应可以把光能转变成化学能或电能，通过其逆过程则可以把化学能或电能转换为光能。 待测物与光电化学活性物质之间的物理、化学相互作用产生的光电流或光电压的变化与待测物的浓度间的关系，是传感器定量的基础。以光电化学原理建立起来的这种分析方法，其检测过程和电致化学发光正好相反，用光信号作为激发源，检测的是电化学信号。和电化学发光的检测过程类似，都是采用不同形式的激发和检测信号，背景信号较低，因此，光电化学可能达到与电致化学发光相当的高灵敏度。由于采用电化学检测，同光学检测相比，其设备价廉。 二、光电化学的概述 1、光电化学的工作机理 要了解光电化学的工作原理，首先得研究光催化技术。光催化反应的本质是指在受光的激发后，催化剂表面产生的电子空穴对分别与氧化性物质和还原性物质相互作用的电化学过程。这里以半导体二氧化钛（TiO ）为例介绍一下光电化 2 学的工作原理。 半导体TiO 具有由价带和导带所构成的带隙，价带由一系列填满电子的轨道构 2 成，而导带是由一系列未填充电子的轨道所构成。当半导体近表面区在受到能量

半导体材料的发展现状与趋势

半导体材料的发展现状与趋势

半导体材料与器件发展趋势总结 材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。材料已成为人类发晨的里程碑。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功，导致了电子工业大革命。使微电子技术和计算机技术得到飞速发展。从20世纪70年代的初期，石英光纤材料和光学纤维的研制成功，以及GaAs 等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明，使光纤通信成为可能，目前光纤已四通八达。我们知道，每一束光纤，可以传输成千上万甚至上百万路电话，这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先进生长技术发展和完善以及超品格量子阱材料包括一维量子线、零维量子点材料的研制成功。彻底改变了光电器件的设计思想。使半导体器件的设计与制造从过去的杂质工程发展到能带工程。出现了以“电学特性和光学特性的剪裁”为特征的新范畴，使人类跨入到以量子效应为基础和低维结构

的制作过程中，它要发生沉淀，沉淀时的体积要增大，会导致缺陷产生，这将直接影响器件和电路的性能。因此，为了克服这个困难，满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高，人们不得不采用硅外延片，就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样，可以有效地避免氧和碳等杂质的污染，同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法，还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结，这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产，8英寸的硅外延片，也正在从实验室走向工业生产；更大直径的外延设备也正在研制过程中。 除此之外，还有一些大功率器件，一些抗辐照的器件和电路等，也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的，它在生长时，不与石英容器接触，材料的纯度可以很高；利用这种材料，采用中子掺杂的办法，制成N或P型材料，用于大功率器件及电路的研制，特别是在空间用的抗辐照器件和电路方面，

量子点发光材料综述

量子点发光材料综述 1.量子点简介 1.1量子点的概述 量子点(quantum dot, QD)是一种细化的纳米材料。纳米材料是指某一个维度上的尺寸小于100nm的材料，而量子点则是要求材料的尺寸在3个维度都要小于100nm[1]。更进一步的规定指出，量子点的半径必须要小于其对应体材料的激子波尔半径，其尺寸通常在1-10nm左右[2]。由于量子点半径小于对应体材料的激子波尔半径，量子点能表现出明显的量子点限域效应，此时载流子在三个方向上的运动受势垒约束，这种约束主要是由静电势、材料界面、半导体表面的作用或是三者的综合作用造成的。量子点中的电子和空穴被限域，使得连续的能带变成具有分子特性的分离能级结构[1]。这种分离结构使得量子点有了异于体材料的多种特性以及在多个领域里的特殊应用。 1.2量子点的特性 由于量子点中载流子运动受限，使得半导体的能带结构变成了具有分子原子特性的分离能级结构，表现出与对应体材料完全不同的光电特性。 1.2.1 量子尺寸效应 纳米粒子中的载流子运动由于受到空间的限制，能量发生量子化，连续能带变为分立的能级结构，带隙展宽，从而导致纳米颗粒的吸收和荧光光谱发生变化[3]。这种现象就是典型的量子尺寸效应。研究表明，随着量子点尺寸的缩小，其荧光将会发生蓝移，且尺寸越小效果越显著[4]。 1.2.2 表面效应 纳米颗粒的比表面积为A m=S V =4πR2 4 3 πR3 =3 R ，也就是说量子点比表面积随着颗 粒半径的减小而增大。量子点尺寸很小，拥有极大的比表面积，其性质很大程度上由其表面原子决定。当其表面拥有很大悬挂键或缺陷时，会对量子点的光学性质产生极大影响[5]。 1.2.3 量子隧道效应 量子隧道效应是基本的量子现象之一。简单来说，即当微观粒子(例如电子等)能量小于势垒高度时，该微观粒子仍然能越过势垒。当多个量子点形成有序阵列，载流子共同越过多个势垒时，在宏观上表现为导通状态。因此这种现象又

有机光伏材料与器件研究新进展

本文由5wgck7xiz2贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳.建议您优先选择TXT,或下载源文件到本机查看. ΠΠ 化学通报 年第 期 # # 进展评述 有机光伏材料与器件研究地新进展 封伟王晓工 清华大学化工系高分子材料研究所北京 摘 要 近几年有机光伏电池应用研究发展迅猛 ? 本文综述了有机光伏薄膜电池在材料包括有 机小分子材料与聚合物材料 !器件构造方面地最新进展分析了有机聚合物光伏电池目前效率低地主要原因并探讨了该领域进一步研究地方向和前景 ? 关键词光伏电池有机聚合物器件综述ΡεχεντΠρογρεσινΟργανιχΠηοτο?ολιχΜατεριασανδ ?ε? σσταλιχε

Αβστραχτ×√√ 2 ? √∏Κεψωορδσ° 2 √√° ?√√∏ 2 √√√≤∞√√√ ? √√ × ÷ ∏√√√× ?≤ 固态光子器件是利用光量子作用地一类重要器件是通过在固体材料中地电2光或光2电效应等来实现其功能地 ? 光子器件材料地光转变吸收和发光一般包括能量是从近红外到近紫外范围地光子因此光子器件材料地能带宽度一般在 1 ? 1 ? ≈ ? 光子器件通常分为三类光源发光二极管 !二极管激光器等 !光探测器光导体 !光二极管等和能量转换器件光伏电池等 ? 利用光伏效应地太阳电池作为重要地清洁能源一直是国内外研究地热点提高效率和降低成本是目前研究地重点≈? 传统地光子材料为无机半导体材料如≥! ! 和≥≤等 ? 但由于这类! °!无机材料制作太阳电池存在生产工艺复杂 !成本高 !难设计 !不透明和制作过程耗能高等不足同时其成熟技术地转换效率已基本达到极限值使进一步改进受到相当大程度地限制 ? 近年来导电聚合物地快速发展使得研究开发低成本太阳电池成为可能≈ ? 共轭导电高分子材料由于在一定程度上同时具有聚合物地柔韧性和可加工性 !以及无机半导体特性或金属导电性因而具有巨大地潜在商业应用价值 ? 随着有机聚合物研究向广度与深度地不断发展许多在传统材料中发现地光 封伟

有机光电材料综述

有机小分子电致发光材料在OLED的发展与应用的综述 电致发光(electroluminescence，EL)，指发光材料在电场的作用下，受到电流或电场激发而发光的现象，它是一个将电能直接转化为光能的一种发光过程。能够产生这种电致发光的物质有很多种，但目前研究较多而且已经达到实际应用水平的，主要还是无机半导体材料，无机EL 器件的制作成本较高，制作工艺困难，发光效率低，发光颜色不易实现全色显示，而且由于很难实现大面积的平板显示，使得这种材料的进一步发展具有很严峻的局限性。由于现有的显示技术无法满足我们生产生活的需要，因此促使人们不断地寻求制备工艺成本更低、性能更好的发光材料。有机电致发光材料（organic light-emitting device，OLED）逐渐的进入了人们的视野，人们发现它是一种很有前途的、新型的发光器件。有机电致发光就是指有机材料在电流或电场的激发作用下发光的现象。根据所使用的有机材料的不同，我们将有机小分子发光材料制成的器件称为有机电致发光材料，即OLED；而将高分子作为电致发光材料制成的器件称为高分子电致发光材料，即PLED。不过，通常人们将两者笼统的简称为有机电致发光材料OLED。 一.原理部分 与无机发光材料相比，有机电致发光材料具有很多优点：光程范围大、易得到蓝光、亮度大、效率高、驱动电压低、耗能少、制作

工艺简单以及成本低。综上所述，有机电致发光材料在薄膜晶体管、太阳能电池、非线性发光材料、聚合物发光二极管等方面存在巨大的需求，显示出广泛的应用前景，因而成为目前科学界和产业界十分热门的科研课题之一。虽然，世界上众多国家投入巨资致力于有机平板显示器件的研究与开发，但其产业化进程还远远低于人们的期望，主要原因是器件寿命短、效率低等。目前有很多关键问题没有解决：1. 光电材料分子结构、电子结构和电子能级与发光行为之间的关系，这是解决材料合成的可能性、调控材料发光颜色、色纯度、载流子平衡及能级匹配等关键问题的理论和实验依据； 2. 光电材料和器件的退化机制、器件结构与性能之间的关系、器件中的界面物理和界面工程等，这是提高器件稳定性和使用寿命的理论和实验基础，也是实现产业化、工业化的根本依据。 1.基态与激发态 “基态”在光物理和光化学中指的是分子的稳定态，即能量最低的状态。如果一个分子受到光或电的辐射使其能量达到一个更高的数值后，分子中的电子排布不完全遵从构造原理，这时这个分子即处于“激发态”，它的能量要高于基态。基态和激发态的不同并不仅仅在于能量的高低上，而是表现在多方多面，例如分子的构型、构象、极性、酸碱性等。在构型上主要表现在键长和二面角方面，与基态相比，激发态的一个电子从成键轨道或非成键轨道跃迁到反键轨道上，使得键长增长、键能级降低；同时，由于激发后共轭性也发生了变化，所以二面角即分子的平面性也发生了明显的改变。

有机半导体材料

有机半导体材料 1 有机半导体材料的分子特征 有机半导体材料与传统半导体材料的区别不言自明，即有机半导体材料都是由有机分子组成的。有机半导体材料的分子中必须含有 键结构。如图1所示，在碳-碳双键结构中，两个碳原子的pz 轨道组成一对 轨道（ 和 ），其成键轨道（ ）与反键轨道（ ）的能级差远小于两个 轨道之间的能级差。按照前线轨道理论， 轨道是最高填充轨道（HOMO）， 是最低未填充轨道（LUMO）。在有机半导体的研究中，这两个轨道可以与无机半导体材料中的价带和导带类比。当HOMO 能级上的电子被激发到LUMO 能级上时，就会形成一对束缚在一起的空穴-电子对。有机半导体材料的电学和电子学性能正是由这些激发态的空穴和电子决定的。

在有机半导体材料分子里， 键结构会扩展到相邻的许多个原子上。根据分子结构单元的重复性，有机半导体材料可分为小分子型和高分子型两大类。 小分子型有机半导体材料的分子中没有呈链状交替存在的结构片断，通常只由一个比较大的 共轭体系构成。常见的小分子型有机半导体材料有并五苯、三苯基胺、富勒烯、酞菁、苝衍生物和花菁等（如图2)，常见的高分子型有机半导体材料则主要包括聚乙炔型、聚芳环型和共聚物型几大类，其中聚芳环型又包括聚苯、聚噻吩、聚苯胺、聚吡咯等类型（如图3)。 事实上，由于有机分子的无限可修饰性，有机半导体材料的结构类型可以说是无穷无尽的。 图2: 几种常见的小分子有机半导体材料：（1）并五苯型，（2）三苯基胺类，（3）富勒烯，（4）酞菁，（5）苝衍生物和（6）花菁类。

图3: 几种常见的高分子有机半导体材料：（1）聚乙炔型，（2）聚芳环型，（3）共聚物型。 2 有机半导体材料中的载流子 我们知道无机半导体材料中的载流子只有电子和空穴两种，自由的电子和空穴分别在材料的导带和价带中传输。相形之下，有机半导体材料中的载流子构成则要复杂得多。 首先，由于能稳定存在的有机半导体材料的能隙（即LUMO 与HOMO 的能级差）通常较大，且电子亲和势较低，大多数有机半导体材料是p 型的，也就是说多数材料只能传导正电荷。无机半导体材料中的正电荷（即空穴）是高度离域、可以自由移动的，而有机半导体材料中的正电荷所代表的则是有机分子失去一个电子（通常是HOMO 能级上的电子）后呈现的氧化状态。因此，在有机半导体材料中引入一个正电荷，必然导致有机分子构型的改变。

有机光伏材料 严涌

有机光伏材料综述 能源是人类社会发展的驱动力，是人类文明存在的基础。目前我们所能利用的能源主要是煤、石油和天然气等传统石化资源。自从18世纪工业革命以来，人类对能源的需求不断增长，由此导致的能源安全问题日益凸显。太阳直径为1.39*106km，质量为1.99*1030kg，距离地球1.5*108km。组成太阳的质量大多是些普通的气体，其中氢约占71.3%、氦约占27%，其它元素占2%。太阳从中心向外可分为核反应区、核辐射区和对流去区、太阳大气。我们平常看到的太阳表面，是太阳大气的最底层，温度约是6000k。太阳每分钟发出的总能量为2.27*1025kJ，尽管只有22亿分之一的能量辐射到地球上，但太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤燃烧所产生的能量。 1太阳能电池 1.1太阳能的利用 太阳能的利用包括很多种技术手段，例如太阳能热水器、光解水制氢气、太阳能热发电以及光伏发电。前二者的应用水平较低，要想大规模地提供能源，主要得靠后两种技术。 太阳能热发电目前主要有三种实现方式，即塔式、槽式和碟式。这三种技术的基本原理都是通过将太阳光聚焦，加热水或者其他工质（例如热熔盐和空气），通过热循环驱动发电机组来发电。 太阳能热发电技术以较为成熟的机械工艺为基础，在规模足够大之后可望实现经济运行。但是这样的热电站也兼具传统热电站的缺点，即建设成本高，机械损耗大，维护成本高，而且只能在专用地上建设，无法与已有城乡建筑物进行集成。在太阳能热发电领域，我国起步较晚，技术积累较少，目前尚不具备对外的竞争优势。 1.2光伏技术 “光伏”这个词译自“Photovoltaic”，即“光”和“伏特”的组合。这个词最早是用来描述一些材料在光照下形成电压的现象，后来人们认识到光电压的形成是由于材料中的电子被入射的光子激发而形成了电势差，从而形成对外的电流电压输出。采用光伏原理发电的设备，我们称之为“太阳能电池”。 最早的光伏效应是Edmund Bequerel 在1839 年发现的，一百多年后（1954年），随着硅半导体工业的发展，第一个能用于实际发电的太阳能电池才在贝尔实验室问世。这个太阳能电池以硅半导体的p-n 结为基础，光电转化效率为6%。 半导体p- n 结的结构及原理如图1所示。当p 型和n 型的半导体相互接触时，由于浓度差的存在，p 型半导体中的空穴会向n 型半导体扩散，n 型半导体中的电子也会向p 型半导体扩散，造成接触面双侧的电荷不平衡，从而形成由n 型区指向p 型区的空间电场。反映在能级图上，即p 型区和n 型区的费米能级一致化后，两个区域间形成了一个能级差，这个能级差即是内建电场（Ebi）。p 型区和n 型区之间的过渡区域，称为p-n 结的结区。在结区内，内建电场会驱使电荷进行定向传输。

有机高分子半导体材料的导电与工作原理

有机高分子半导体材料的导电与工作原理 及与硅基材料的比较 摘要： 本文从原理角度出发，对有机高分子半导体材料的导电模型与原理，有机高分子半导体材料器件的简要工作原理进行阐述，并将该材料的性能与硅基半导体材料相比较，最后对有机高分子半导体材料的发展提出自己的看法。 关键词：有机高分子半导体原理器件性能比较 1.背景： 随着无机半导体材料的发展、成熟与产业化，有机半导体材料以其种类多样性与巨大的应用潜力逐渐受到广泛关注。在有机电子领域的几项杰出成就，如1986年和1987年由Eastman Kodak 的Tang[4,5]等提出的有机光生伏打电池（OPVC）和有机发光二极管(OLED)，为有机半导体的实际应用打下了基础。1986年有机场效应晶体管（OFET）也随之出现。与此同时，关于有机半导体的结构模型与导电原理的研究也成为了进一步解决其不足与优化其性能的基本出发点。高分子链紧束缚模型（SSH）的建立，高分子二聚现象的发现，1979年Su,Schrieffer与Heegerd对于孤子、极化子、双极化子等载流子概念的提出，激子在有机材料中的重新定位，跃迁机制对于迁移率的解释等，使人们对其基本规律有了一定程度的认识,并在积极地发展与完善。 2.有机高分子导体材料的分子结构与基本特征 有机高分子半导体，如聚乙炔，普遍存在共轭大π键结构，由成键π轨道与反键π*轨道构成。两者可分别相当于能带理论中的导带与价带，两个轨道之间的能级差称为带隙。许多高分子半导体的带隙处于1.5~3.0eV之间，处于可见光范围，十分合适作为太阳能电池。然而从整体来看，诸多较长的分子链通过范德华力相互纠缠在一起形成无序结构，一条分子链自身也有许多扭转变形，产生的结点破坏了共轭作用，由此关联的导电机制也更加复杂。 SSH模型认为，有机高分子固体可简化为具有一维特性的高分子弱耦合而成，并且电子在某一个碳原子附近时，将较紧地被该碳原子束缚而其他碳原子对其影响较小，及“紧束缚近似”，通过一系列计算描述晶格原子(碳原子)的移动和与电子的相互作用。之后又出现了修饰完善的TLM模型与PPP模型。一维体系Peierls不稳定性借助于SSH模型并通过计算说明，等距离排列的碳原子是不稳定的，碳原子将发生微小位移从而二聚化，使得有机高分子如聚乙炔分子中出现一定程度的单双键交替现象，这使得原来连续的能带分裂成导

半导体材料文献综述

姓名：高东阳 学号：1511090121 学院：化工与材料学院专业：化学工程与工艺班级：B0901 指导教师：张芳 日期： 2011 年12月 7日

半导体材料的研究综述 高东阳辽东学院B0901 118003 摘要：半导体材料的价值在于它的光学、电学特性可充分应用与器件。随着社会的进步和现代科学技术的发展，半导体材料越来越多的与现代高科技相结合，其产品更好的服务于人类，改变着人类的生活及生产。文章从半导体材料基本概念的界定、半导体材料产业的发展现状、半导体材料未来发展趋势等方面对我国近十年针对此问题的研究进行了综述，希望能引起全社会的关注和重视。 关键词：半导体材料，研究，综述 20世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；20世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。彻底改变人们的生活方式。在此笔者主要针对半导体材料产业的发展、半导体材料的未来发展趋势等进行综述，希望引起社会的关注，并提出了切实可行的建议。 一、关于半导体材料基础材料概念界定的研究 陈良惠指出自然界的物质、材料按导电能力大小可分为导体、半导体、和绝缘体三大类。半导体的电导率在10-3～ 109欧·厘米范围。在一般情况下，半导体电导率随温度的升高而增大，这与金属导体恰好相反。凡具有上述两种特征的材料都可归入半导体材料的范围。[1] 半导体材料（semiconductormaterial）是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电导率在10（U-3）～10（U-9）欧姆/厘米范围内。[2]随着社会的进步以及科学技术的发展，对于半导体材料的界定会越来越精确。 二、关于半导体材料产业的发展现状及解决对策的分析 王占国指出中国半导体产业市场需求强劲，市场规模的增速远高于全球平均水平。不过，产业规模的扩大和市场的繁荣并不表明国内企业分得的份额更大。相反，中国的半导体市场正日益成为外资公司的乐土。[3]

量子点发光材料综述

量子点 1.量子点简介 1.1量子点的概述 量子点(quantum dot, QD)是一种细化的纳米材料。纳米材料是指某一个维度上的尺寸小于100nm的材料，而量子点则是要求材料的尺寸在3个维度都要小于100nm[1]。更进一步的规定指出，量子点的半径必须要小于其对应体材料的激子波尔半径，其尺寸通常在1-10nm左右[2]。由于量子点半径小于对应体材料的激子波尔半径，量子点能表现出明显的量子点限域效应，此时载流子在三个方向上的运动受势垒约束，这种约束主要是由静电势、材料界面、半导体表面的作用或是三者的综合作用造成的。量子点中的电子和空穴被限域，使得连续的能带变成具有分子特性的分离能级结构[1]。这种分离结构使得量子点有了异于体材料的多种特性以及在多个领域里的特殊应用。 1.2量子点的特性 由于量子点中载流子运动受限，使得半导体的能带结构变成了具有分子原子特性的分离能级结构，表现出与对应体材料完全不同的光电特性。 1.2.1 量子尺寸效应 纳米粒子中的载流子运动由于受到空间的限制，能量发生量子化，连续能带变为分立的能级结构，带隙展宽，从而导致纳米颗粒的吸收和荧光光谱发生变化[3]。这种现象就是典型的量子尺寸效应。研究表明，随着量子点尺寸的缩小，其荧光将会发生蓝移，且尺寸越小效果越显著[4]。 1.2.2 表面效应 纳米颗粒的比表面积为，也就是说量子点比表面积随着颗 粒半径的减小而增大。量子点尺寸很小，拥有极大的比表面积，其性质很大程度上由其表面原子决定。当其表面拥有很大悬挂键或缺陷时，会对量子点的光学性质产生极大影响[5]。 1.2.3 量子隧道效应 量子隧道效应是基本的量子现象之一。简单来说，即当微观粒子(例如电子等)能量小于势垒高度时，该微观粒子仍然能越过势垒。当多个量子点形成有序阵列，载流子共同越过多个势垒时，在宏观上表现为导通状态。因此这种现象又

有机半导体材料OrganicSemiconductorMaterials

題目:organic semiconductor materials 指導教授:郭豔光老師 班級:物四乙

學生:陳衍榮 學號:8522072 有機半導體材料 前言 早在1960年代初期，Pope等人在Anthracene之有機芳香族化合物晶體上入數百伏之跨壓下，發現存在電流流通與發光的現象，而啟開後人研究有機發光之大門。在後續的二十餘年間，因其元件特性距離實用仍有相當大的距離，因此仍專注在其相關的發光機制與電荷傳導等基礎研究。及至80年代末期，美國科達公司實驗室利用真空蒸鍍有機薄膜的技術和異質接面(heterojunction)多層有機膜(multilayer)之元件特性。諸如操作電壓＜10V，量子效率＞1﹪，與元件穩定性

等均已有大幅之改善，因而激增有機電激發光元件之實用性，也引發全球OEL之研究熱潮。另一方面則是在聚合物散料上的發展也令人囑目。Patridge在80年代初期便發表PVK材料(poly vinylcarbazole)亦具有機光導體之性質。此一發現，使得有機化合物在發光體上之應用更趨於廣泛。然而在1990年有機發光材料又有更進一步地發展。英國劍橋大學卡文迪實驗室(Calvendish Lab)發表第一個利用聚苯基乙烯(PPV, Poly p-phenylenevinylene)之共軛聚合物(conjugate polymer)製成的OEL元件。由於此類共軛聚合物具有類似半導體的特性與簡易的製程，從而激起對OEL元件的研究熱。而各種的研究材料，諸如摻雜發光的染料小分子或大分子之OEL元件，甚至在塑膠基板上可彎曲之OEL元件等均是被研究的主題。可見OEL之研究廣度與深度，而應用範圍也隨之更加寬廣。由於大部分OEL元件都具有類似二極體的特性，因此OEL又稱有有機發光二極體(OLED)，而目前其最潛力之應用即在平面顯示器之發揮。以下圖一摘述OEL發展的簡史。

半导体材料有哪些

半导体材料有哪些 半导体材料（semiconductor material）是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。 自然界的物质、材料按导电能力大小可分为导体、半导体和绝缘体三大类。半导体的电阻率在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围（上限按谢嘉奎《电子线路》取值，还有取其1/10或10倍的；因角标不可用，暂用当前描述）。在一般情况下，半导体电导率随温度的升高而升高，这与金属导体恰好相反。 凡具有上述两种特征的材料都可归入半导体材料的范围。反映半导体半导体材料内在基本性质的却是各种外界因素如光、热、磁、电等作用于半导体而引起的物理效应和现象，这些可统称为半导体材料的半导体性质。构成固态电子器件的基体材料绝大多数是半导体，正是这些半导体材料的各种半导体性质赋予各种不同类型半导体器件以不同的功能和特性。 什么是半导体材料_常见半导体材料有哪些 半导体的基本化学特征在于原子间存在饱和的共价键。作为共价键特征的典型是在晶格结构上表现为四面体结构，所以典型的半导体材料具有金刚石或闪锌矿（ZnS）的结构。由于地球的矿藏多半是化合物，所以最早得到利用的半导体材料都是化合物，例如方铅矿（PbS）很早就用于无线电检波，氧化亚铜（Cu2O）用作固体整流器，闪锌矿（ZnS）是熟知的固体发光材料，碳化硅（SiC）的整流检波作用也较早被利用。 硒（Se）是最早发现并被利用的元素半导体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。元素半导体锗（Ge）放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页，从此电子设备开始实现晶体管化。中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度（99.999999%～ 99.9999999%）的锗开始的。采用元素半导体硅（Si）以后，不仅使晶体管的类型和品种

基于有机薄膜的太阳能电池材料与器件研究进展12.

中国科学B辑:化学 2008年 第38卷 第11期: 957~975 https://www.360docs.net/doc/50930974.html, https://www.360docs.net/doc/50930974.html, 《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS 基于有机薄膜的太阳能电池材料与器件研究进展 密保秀, 高志强, 邓先宇, 黄维* 南京邮电大学信息材料与纳米技术研究院, 江苏省有机电子与平板显示重点实验室, 南京 210003 * 联系人, E-mail: wei-huang@https://www.360docs.net/doc/50930974.html, 收稿日期：2008-04-30; 接受日期：2008-10-10 国家自然科学基金(批准号：20774043, 90406021)、江苏省高校自然科学基础研究基金(批准号：08KJB430011)和南京邮电大学攀登计划(批准号：NY207013, NY207162)资助项目 摘要近年来, 有机薄膜太阳能电池的研究得到突飞猛进的发展, 其功率转换效率从很困难达到3%, 普遍地提高到3%~5%, 且根据模拟预测有希望达到10%. 显然, 这是新材料和新器件结构的涌出以及器件机理研究深入的共同结果. 本文介绍有机薄膜太阳能电池的的结构及工作原理, 讨论材料结构与器件性能的关系, 综述近年来材料与器件结构等方面的进展. 关键词 光伏 太阳能电池有机薄膜电池结构 1引言 太阳能电池是将光能(太阳光能)转换为电能的器件, 是一种光伏器件, 于1954年在贝尔实验室首次发现[1,2]. 开始的研究主要集中于以单晶硅为活性材料的无机太阳能电池, 当时贝尔实验室报道的器件效率为4%. 无机太阳能电池通常是基于p-n结结构：p区存在过剩空穴, n区存在过剩电子, 在p-n结附近, 由于p型和n型的突变而形成内建电场. 材料吸收光后产生的电子空穴对, 通过扩散, 达到p-n结界面, 在内建电场作用下分开, 并分别向2个电极移动, 形成光伏. 20世纪90年代无机太阳能电池家族中又发展了砷化镓、碲化镉以及叠层GaInP/GaAs/Ge等器件, 它们由单晶、多晶或者非晶薄膜构成. 尽管目前无机太阳能电池总能量转化效率达到了25%以上[3], 但是, 昂贵的成本及窄带隙半导体的严重光腐蚀限制了无机太阳能电池的实际应用. 降低成本是这一领域的主要课题之一：人们一方面发展可降低成本的非晶薄膜加工技术, 另一方面也在研究较为廉价的半导体材料如碲化镉等.1991年,较低成本的染料敏化二氧化钛太阳能电池[4,5]出现,其转换效率可达到10%左右. 但是该类电池需要液体电解液, 阻碍了其实际应用. 最为廉价和有吸引力的太阳能电池材料非有机物莫属：一方面由于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; 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, 器件制作成本也较低. 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. 因而有望在手表、便携式计算器、半透光式充电器、玩具、柔性可卷曲系统等体系中发挥供电作用. 有机太阳能电池的研究始于1959年, 其结构为单晶蒽夹在2个电极之间[6], 器件的开路电压为200 mV, 由于激子的解离效率太低使得转换效率极低. 这方面研究的重大突破是邓青云博士于1986年报道的双层结构染料光伏器件[7]. 器件以酞菁衍生物作为p型半导体, 以四羧基苝的衍生物作为n型半导体, 形成双层异质结结构, 功率转换效率(ηp)约为1%. 该 957

相关主题
相关文档
最新文档