聚合物太阳能电池研究进展
聚合物本体异质结型太阳能电池研究进展
基金项目:国家自然科学基金(59983001);作者简介:王彦涛(1979-),男,硕士研究生,主要从事光电功能材料的研究。
聚合物本体异质结型太阳能电池研究进展王彦涛,韦 玮,刘俊峰,张 辉(西安交通大学环境与化学工程学院,西安710049) 摘要:聚合物本体异质结型太阳能电池是一种基于电子给体/受体混合物薄膜的高效率有机光伏器件。
文中介绍了近年来聚合物本体异质结型太阳能电池的最新研究进展,指出了目前存在的问题和今后的发展方向。
关键词:有机太阳能电池;共轭聚合物;异质结随着全球对能源需求的日益增加,石油、煤炭、天然气等传统能源日益枯竭,地球每年吸收的太阳能为5.4×1024J 左右,相当于目前世界上所有可用能源的几万倍。
因此太阳能的利用,尤其是直接利用太阳辐射转变为电能的太阳能电池的应用,特别受人关注。
目前,太阳能电池有很多种,几乎所有商品化的太阳能电池都是由硅或者无机化合物半导体制成,然而其高成本,制造过程当中的毒性和不易柔性加工等缺点,使得人们从上个世纪70年代开始关注有机太阳能电池研制,尤其是共轭聚合物太阳能电池的研究更是近年来研究的一个热点。
这种聚合物电池具有很多独特的性质,如:可提供湿法加工成膜(旋涂、刮涂及丝网印刷等);可制成柔性器件、特种形状器件以及大面积器件;共轭聚合物很容易和其他有机或者无机材料共混而制备杂化器件等等。
目前,纯聚合物太阳能电池光电转换效率大都很低[1],为1%～2%,制约其能量转换效率的主要因素是电池的光谱响应与太阳光地面辐射不匹配、载流子在势场中的迁移率以及载流子的电极收集效率低等。
光诱导电荷转移现象的发现[2,3],使得聚合物太阳能电池的效率有了大幅提高。
如Saricifici 等[4]发现聚2-甲氧基252(22己基己氧基)21,42对苯撑乙烯(MEH 2PPV )与C 60的复合体系中存在光诱导电子转移现象。
利用共轭聚合物作为电子给体材料(D ),有机小分子或者无机半导体作为电子受体材料(A )制成复合薄膜,通过控制相分离的微观结构形成互穿网络,从而在复合体中存在较大的D/A 界面面积,每个D/A 接触处即形成一个异质结,同时D/A 网络是双连续结构的,整个复合体即可被视为一个大的本体异质结,以这种复合体薄膜为活性层的太阳能电池被称为聚合物本体异质结型太阳能电池。
P3HT／PCBM太阳能电池的研究进展
ｏ ｎ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ ｏ ｆ ｄ ｏ ｎ ｏ ｒ ａ ｎ ｄ ａ ｃ ｃ ｅ ｐ ｔ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ，ａ ｄ ｄ ｉ ｔ ｉ ｖ ｅ ，ａ ｎ ｄ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｅ ｐ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ｓ ．Ｔｈ ｅ
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能 源危机 已成 为人 类 生 存及 社 会 经 济 发 展 急需 解 决 的 重要 问题 ， 世 界各 国都 在开 发绿 色环 保 的新 能 源 。太 阳能 作
研 制 出效 率为 ６ 的实用 型 单 晶硅 电池 ， 为太 阳能 电池 技 术 的研 究拉 开 了序幕 ］ 。 目前 研 究 和 应 用最 广 泛 的单 晶硅 、 多 晶硅 和 非 晶 硅 等 无 机 太 阳 能 电 池 已 经 取 得 了 极 大 的 进 展［ ４ ］ ， 然 而 由于其 本 身加 工工 艺 复 杂 、 对 材料 要求 高 ， 因而
为 一种 易于获 取 、 安全 、 洁净无 污染 的新能 源 ， 为人 们 解决 能
６ １ 一 ｐ ｈ ｅ ｎ ｙ ｌ — Ｃ ６ １ 一 ｂ ｕ ｔ ｙ ｒ ｉ ｃ ａ ｃ ｉ ｄ ｍｅ ｔ ｈ ｙ ｌ ｅ ｓ ｔ ｅ ｒ ） 就经常被用作受体 材料， 其分 子结构 如 图 ２ 所示 。
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ
Ｒｅ ｃ ｅ ｎ ｔ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆ ｐ ｏ ｌ ｙ ｍｅ ｒ ｓ ｏ ｌ ａ ｒ ｃ ｅ ｌ ｌ ｓ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｐ ３ ＨＴ ／ Ｐ Ｃ Ｂ Ｍ ａ ｒ ｅ ｒ ｅ ｖ ｉ ｅ ｗｅ ｄ ，ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ
聚合物电解质在太阳能电池中的应用
聚合物电解质在太阳能电池中的应用随着人类对清洁能源的需求越来越强烈，太阳能作为一种绿色、环保的新能源日益受到人们的重视和关注。
而太阳能电池作为太阳能利用的主要手段之一，其性能的改进一直是研究者们关注的热点问题之一。
其中，聚合物电解质在太阳能电池中的应用备受瞩目。
一、聚合物电解质的基本概念聚合物电解质是指具有高分子结构、通过离子交换来传递电荷的材料。
它与传统的液态电解质相比，具有更高的稳定性、更好的电导率和更广泛的化学稳定性。
二、聚合物电解质在太阳能电池中的应用1.提高太阳能电池的效率聚合物电解质作为太阳能电池的关键材料之一，可以有效提高太阳能电池的输出功率和转换效率。
它能够承受较高的电场强度，从而提高太阳能电池的动力输出和光电转换效率。
此外，与传统的无机电解质相比，聚合物电解质还具有更高的光学透明性和更低的离子电阻，从而进一步提高了太阳能电池的效率。
2.提高太阳能电池的稳定性聚合物电解质的长寿命和稳定性使其成为太阳能电池的理想材料。
它可以在多种环境和温度下稳定地工作，或者在长期使用后不容易出现退化和失效。
因此，太阳能电池中使用聚合物电解质可以有效提高太阳能电池的稳定性和寿命。
3.降低太阳能电池的成本聚合物电解质的制备方法简单，成本低廉，可以大批量制备。
与传统的无机电解质相比，它还具有更好的刻蚀抵抗力、更好的潮湿度敏感性和更低的氧化还原电位，从而降低了太阳能电池的制造成本。
三、聚合物电解质在太阳能电池中的应用研究进展目前，聚合物电解质在太阳能电池中的应用研究已成为材料科学的热门话题之一。
主要研究方向包括聚合物电解质的配方设计、制备工艺、电学性能研究、稳定性评价以及太阳能电池的制备和优化等。
其中，太阳能电池的制备和优化是聚合物电解质应用研究的重点。
以太阳能有机电池为例，近年来，研究者们采用聚合物电解质来替代传统的无机电解质，大大提高了太阳能有机电池的性能。
他们通过改变聚合物电解质的结构和比例，在多种机理上进一步提高了太阳能有机电池的光电转换效率和稳定性。
咔唑基聚合物太阳能电池材料的研究进展
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• 经实验证实，这一电子转移过程要比光荧光辐射跃迁要快3~4个数量级。这样 光生电荷的发光复合就可以被有效地阻止，从而使电荷的分离效率大幅提高。
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2006年PCz
• 2006年，Li等合成得到了一种新的聚咔唑衍生物（PCz，图1-1），以苝四羧酸 二酰亚胺（PDI，图1-2）为受体基元，在太阳光谱激发下得到0.6%的光电转 化效率。
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创新点
• 1）咔唑基-无机纳米晶作为电子受体材料，而不是只有咔唑基衍生物作为电 子给体材料的部分
• 2）对PCDTBT/PCBM聚合物太阳能电池性能进行了部分影响因素的比较
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参考文献
• 参考文献： • [1]黎立桂,鲁广昊,杨小牛,周恩乐. 聚合物太阳能电池研究进展[J]. 科学通
报,2006,21:2457-2468. • [2]苏雪花,夏德强,王守伟. 咔唑基窄带隙共轭聚合物太阳能电池材料的研究进
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5.结语
• 咔唑基共轭聚合物具有较窄带隙，可以最大限度地吸收光子、产生激子，确 保较大的光电流。提高了材料的性能，使聚合物电池有一定的光电转化效率， 仍然需要继续提高材料的性能以投入应用；
• 以咔唑衍生物-无机纳米晶为电子受体的太阳能电池光电转化效率很低，但是 研究时间不长，同样具有良好的发展前景。
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• Wang等报道了使用CdSe-聚咔唑(CdSe-PVK)纳米复合材料 为电子受体，并与羟基包覆的CdSe纳米晶体(CdSe-OH)相 比较。二者都以P3HT为电子给体材料，分别组成以 P3HT/CdSe-OH体系和P3HT/CdSe-PVK体系为基础的聚合 物太阳能电池，光电转化效率为0.02% vs. 0.001%。AFM图 像显示，P3HT 与CdSe-PVK之间在活性层上更平滑、均匀 的膜形态导致设备效率更高。
共轭聚合物太阳能电池研究进展
共轭聚合物太阳能电池研究进展共轭聚合物太阳能电池是一种利用有机分子材料转化光能为电能的新型太阳能电池，因其可以利用低成本、轻量化的有机材料制备，而成为太阳能电池研究领域的热门话题。
本文将详细介绍共轭聚合物太阳能电池的结构、工作原理以及研究进展。
一、共轭聚合物太阳能电池的结构共轭聚合物太阳能电池的结构是由多个层次组成的，包括基底材料、电子传输层、活性层、正极和负极等。
其中基底材料是主要承载太阳能电池的载体，电子传输层是用来传输电子的一层薄膜，活性层是太阳能电池的关键层，通过吸收太阳光将其转化为电能的过程就发生在活性层中，而正极和负极则负责从太阳能电池中提取电能。
二、共轭聚合物太阳能电池的工作原理共轭聚合物太阳能电池是一种基于有机材料的光伏技术，其工作原理与传统的硅基太阳能电池不同。
共轭聚合物太阳能电池的活性层是由一系列有机分子组成的聚合物构成的，当太阳光照射到聚合物上时，聚合物中的电子会被激发到一个更高的能级。
在此过程中，电子会离开其原位并移动到达电子传输层上。
电子传输层的绿色有机化合物具有丰富的自由电子和空穴，它们能够将聚合物中释放出的电子“导”向电池端口，从而产生电流。
这种电流被传输到电池的正极和负极上，从而可以用来为电子设备供电。
三、共轭聚合物太阳能电池的研究进展共轭聚合物太阳能电池是一种新型的太阳能电池，为了实现它的高效转化能力，目前研究者们正在进行大量的研究工作。
其中主要的研究方向包括活性层材料的开发、电池工程的优化和稳定性的提高等。
1. 活性层材料的开发由于共轭聚合物太阳能电池的活性层是由有机聚合物组成的，因此研究者们将重点放在寻找新型有机材料上，包括改进现有的材料，或者开发新的材料。
一些研究者利用聚合物缓存材料，使聚合物在光敏材料中更紧凑，在提高太阳能电池的光电转化效率的同时，实现了更高的光稳定性。
另一些研究者则研究了类似于二维材料的有机分子材料，例如共轭聚合物和碳化物，这些材料可以提高太阳能电池的效率、能够抵御紫外线和湿度，延长其使用寿命。
太阳能电池技术的新突破
太阳能电池技术的新突破太阳能电池，作为一种可再生清洁能源，正逐渐成为全球热门的能源研究领域。
虽然太阳能电池的效率已经有了较大的提升，但是仍然存在一些问题，比如成本较高、能量转换效率有限等。
近年来，随着新技术的不断涌现，太阳能电池领域也在不断发生变化。
本文将介绍太阳能电池技术近期的新突破。
第一、有机太阳能电池技术有机太阳能电池技术是一种颇受关注的太阳能电池技术，其价格低廉且易于制造。
有机太阳能电池的关键是有机材料——聚合物。
聚合物的主链成为电荷传递的“高速公路”，侧链负责吸收阳光并将其转换为电能。
有机太阳能电池的材料种类多样，可以制成透明的面板或柔性材料，方便移动和安装。
近年来，有机太阳能电池的效率也得到了大幅提升。
2018年，瑞士洛桑联邦理工学院的研究团队开发出了一种具有17%转换效率的全面屏有机太阳能电池，这一效率已经可以媲美传统硅基太阳能电池。
此外，有机太阳能电池还可以在低光强度环境下工作，适用范围更广泛。
第二、铊钛石太阳能电池技术铊钛石太阳能电池是一种比常见的硅太阳能电池更为高效的太阳能电池。
它具有高光电转换效率、稳定性好、耐高温、长寿命等优点，因此备受研究者青睐。
2019年，美国国防部与凯雷特能源公司联合研究开发出了一种铊钛石太阳能电池，该电池利用了高温烧结技术，采用类似钻井的方法，在硅基材料上制成了非常小的铊钛石结晶体，进而形成太阳能电池。
由于采用了微型结构设计，将太阳光聚焦在一个小表面上，使得光线更容易被电池吸收，从而提高了电池的能量转换效率。
这种太阳能电池的转换效率已经接近50%，使得其成为目前效率最高的太阳能电池之一。
第三、透明太阳能电池技术传统太阳能电池需要在阳光充足的地方安装，占用了大量的空间。
而透明太阳能电池技术的出现为建筑物和汽车等应用领域带来了更多可能性。
透明太阳能电池可以在保持建筑物或汽车玻璃透明度的同时吸收太阳能，实现自给自足。
这项技术既环保节能，又有着广泛的应用价值。
聚合物太阳能电池光敏层材料的研究进展
一层大颗粒的散射层, 提高光阳极对光的捕获和吸收 效率, 与不添加散射层比较, 将电池效率提高了 64%.
本文探讨了染料敏化太阳能电池 TiO2 电极制作 工艺的优化, 主要包括改变 TiO2 薄膜厚度, 用四氯 化钛处理 TiO2 电极以及添加大粒子散射层. 从纳米 晶颗粒的堆积方式以及电接触、电极的光谱响应提高 光阳极性能, 研究其对电池效率的影响. TiO2 薄膜厚 度对 DSSC 的光电转换效率有重要影响, 本文通过研 究不同厚度的 TiO2 薄膜与电池各性能参数的关系, 得到了最佳的 TiO2 薄膜厚度. 实验表明, 在一定范 围内增加半导体薄膜厚度, 可以增加染料吸附量, 从 而提高电池效率, 但当厚度超过 14 μm 时, 电池的各 性能参数均明显下降. TiCl4 处理电极后, 纳米晶颗粒 间化学连接作用增强, 减小电子在纳米晶颗粒间的 传输电阻, 降低电子与空穴的复合, 电池的开路电 压、短路电流及填充因子都得到提高. 研究表明, 散 射层的添加可以提高 DSSC 的光电转换效率[7,8], 但 大多数研究都集中在染料吸附量的比较上面, 本文 通过对大粒子散射层的光吸收率的测量, 发现散射 层可以拓宽光阳极的光电响应范围, 提高电极对近 红外光的吸收.
TiO2 薄膜作为染料吸附、电子传输的载体, 是染 料敏化太阳能电池的关键, 其性能直接影响电池的 效率[3]. Ito 等人[4]采用丝网印刷技术制备 TiO2 薄膜, 当薄膜厚度达到 12~14 μm 时电池效率达到 10.1%. Ito 等人[5]的研究表明, 对导电基底进行 TiCl4 预处理 会在其表面形成一层 TiO2 微晶结构, 这样的结构有 利于电子从 TiO2 薄膜向基底传输. 另一方面, 覆盖 TiO2 薄膜之后的电极进行 TiCl4 处理, 增强了纳米晶 颗粒间的化学连接作用, 减小电子在纳米晶颗粒间 的传输电阻, 减弱电子的复合效应, 将电池的转化效 率提高了 15%. Lee 等人[6]通过在纳米晶薄膜上覆盖
太阳能电池中有机聚合物材料的研究应用
太阳能电池中有机聚合物材料的研究应用一、概述太阳能电池是一种将光能转化为电能的装置，其中有机聚合物材料作为一种新型的太阳能电池材料，吸引了广泛的关注和研究。
有机聚合物材料具有易制备、可塑性好、成本低等优点，因此在太阳能电池中应用具有广阔的前景。
二、有机聚合物材料的介绍有机聚合物材料是指由有机分子通过化学键链接而成的大分子材料。
这种材料具有很多有用的性质，如可塑性好、易加工、低成本、轻质等。
因此，在太阳能电池中应用具有广泛的前景。
三、有机聚合物材料在太阳能电池中的应用有机聚合物材料在太阳能电池中的应用主要表现在以下几个方面：1. 有机太阳能电池有机太阳能电池是一种利用有机聚合物薄膜作为太阳能电池的光伏材料的一种设备。
与传统的硅基太阳能电池相比，有机太阳能电池具有更便宜的制造成本、柔性和轻质等特点。
2. 透明有机太阳能电池透明有机太阳能电池是一种开发成为透明的有机聚合物薄膜太阳能电池的光伏设备。
这种透明太阳能电池可以应用在诸如机动车、建筑物和移动设备等领域，能够在不影响外观的情况下向内供电。
3. 有机-无机混合太阳能电池有机-无机混合太阳能电池是一种将有机聚合物与无机半导体材料混合的太阳能电池。
这种混合太阳能电池具有兼顾两种材料优点的特点，既具有有机聚合物的可塑性、易加工、低成本等特点，也具有无机半导体的良好电子传输性能等特点。
四、有机聚合物材料应用的优点1. 成本低有机聚合物材料的制备成本相对较低，大大降低了太阳能电池的制造成本。
2. 可塑性好有机聚合物材料具有非常好的可塑性，可以通过各种加工工艺制成各种形式的太阳能电池。
3. 良好的光学性能有机聚合物材料具有良好的光学性能，能够将太阳光转化为电能的效率提高。
五、有机聚合物材料应用的瓶颈1. 效率低当前有机聚合物材料太阳能电池的转换效率仍然比较低，限制了其在大规模应用中的发展。
2. 稳定性差有机聚合物材料的稳定性不如无机半导体太阳能电池，可能会影响太阳能电池的寿命和稳定性。
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结论与展望
• 有机/聚合物太阳能电池的能量转换效率目 前仍然较低。还应继续着力于对混合材料 光感性能进行试验测试。 • 继续研究成膜技术，器件制作工艺和结构 设计，使设备更有利于混合材料的性能发 挥。源自串联聚合物太阳能电池的器件结构
改善太阳能能量转换效率的途径
• （1） 改善聚合物太阳能电池的光吸收效率，主要是使用 具有近红外或红外吸收的聚合物或染料；
• （2） 改善聚合物太阳能电池光电流的产生，使用具有高 流动性的聚合物及高有序相的液晶材料； • （3） 使用具有高迁移率的纳米材料；
• （4） 聚合物太阳能电池器件制备过程的优化与稳定性的 探索；
聚合物太阳能电池研究进展
汇报人：张明 学号：146061424
主要内容
• • • • • 研究背景 太阳能电池的分类 太阳能电池的工作原理 聚合物太阳能电池的成果与前景 结论与展望
研究背景
• 能源问题是人类面临的最现实问题。它不仅仅表现在常规 能源的不足，更重要的是化石能源的开发利用带来的诸多 环境问题。目前全球热点问题是如何迎接在能源短缺和环 境保护双重制约条件下实现经济和社会可持续发展的重大 挑战。 • 太阳能是可再生能源，是真正意义上的环保洁净能源，其 开发利用必将得到长足的发展，并终将成为世界能源结构 中的主导能源。太阳能的开发利用必将得到长足的发展， 并终将成为世界能源结构中的主导能源。
太阳能电池的分类
• 传统太阳能电池： 晶体硅太阳能电池 非晶硅太阳能电池 化合物半导体太阳能电池 纳米晶化学太阳能电池
• 有机\聚合物太阳能电池
传统太阳能电池工作原理
有机聚合物太阳能电池的工作原理
有机太阳能电池部分材料的分子结构
聚合物太阳能电池的新成果及发展前景
实验室的聚合物太阳能 电池的最大光电转换效 率必须在15%以上（目 前的组件效率在 10%~12%）才能有实 际应用的价值。 串联式太阳能电池结合 了两个或多个具有不同 吸收范围的子单元可能 有效地提高光电转换效 率。