聚合物太阳能电池材料和器件
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Russell Gaudiana and Christoph Brabec Nature Photonics, 2008, 2, 287
D－A双层聚合物太阳能电池
2.8eV
C60
LUMO
3.7eV
hv
LUMO
ITO
EF
h+
e-
EF
Metal
HOMO
4.9eV
MEH-PPV
HOMO
6.1eV
效率<1% •电荷分离限于双层的接触 界面上，共轭聚合物中激 发子传输距离<10nm •接触界面的面积受到限制
0.99 0.59
P2 P3
P3HT
P1 P2 P3 0.1 mA
-3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0
Potential (V vs Ag/Ag+)
吸收光谱
循环伏安图
IPCE (%) Current Density(mA/cm2)
ITO/PEDOT/P3:PCBM (1:1 w/w)/Mg/Al
2 Current (mA)
S
* S n* P3HT
*S
S m
2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2
300
P1 P2 P3 P3HT Compound 6
400 500 600 700 800
Wavelength (nm)
m:n
1:0
P1
S
S* n
[N.S. Sariciftci, et al., Synth. Met. 59 (1993) 333; Appl. Phys. Lett. 62 (1993) 585].
本体异质结型聚合物太阳能电池
bulk heterojunction polymer solar cell
(a) 器件结构 (b) 开路下的能级图 (c) 短路下的能级图 [G. Yu, J. Gao, J. C. Hummelen, F. Wudl, A. J. Heeger, Science, 270(1995), 1780.]
聚合物太阳能电池光伏材料电子能级对光伏性能的影响
聚合物太阳能电ห้องสมุดไป่ตู้面临的问题：
能量转换效率较低 (最高效率 2003年3％，2004年3.8%，2005年5% 左右，2007年6%, 2009年6.77％) ，主要是由于： 1. 共轭聚合物只能吸收部分太阳光（太阳光的利用率低）。 2. 共轭聚合物的电荷载流子迁移率低。
成，制备聚合物／无机半导体纳晶共混型聚合物太阳能电池。
共轭聚合物给体光伏材料
1. 在可见区具有宽吸收的带共轭支链的聚噻吩 和聚噻吩乙烯衍生物
R
R
R
R
2
2
Sn
P3HT
S
Sn 5 R= C8H17
R 2R
Sn
1
S
S
S
n
Sn
2
3
R=2-ethylhexyl
S
S xS
S 1-x n
4
x=0.52
S3
H 17 n-CN8
Emission spectrum of the sun AM1.5 Absorption spectrum of MDMO-PPV Absorption spectrum of P3AT
MDMO-PPV
MEH-PPV
Sn
P3HT
PCBM
主要给体和受体材料
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Wave Length [µm]
PT2
PT3
PT4 x=0.52
1.0 a
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
300
PEHPVT PMEHPVT PT1 PT2 PT3 PT4
400 500 600 700 800
Wavelength (nm)
1.4 b
1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2
300
PEHPVT PMEHPVT PT1 PT2 PT3 PT4 P3HT
太阳光谱和常用共轭聚合物吸收光谱的比较
我们研究的出发点
为提高聚合太阳能电池的能量转换效率：
（1）设计和合成在可见区具有宽吸收、高载流子迁移率和适当 电子能级的共轭聚合物给体和受体光伏材料。
（2）设计和合成具有高溶解度、高电子迁移率和适当LUMO能级 的新型富勒烯电子受体材料。
（3）设计和合成高效共轭有机分子光伏材料。 （4）实现无机半导体纳晶电子受体材料的尺寸和形貌的可控合
S
S
S
S
mS
n
m:n
R=C12H25
1:0 6 0.99 7
0.59 8
S
S
1-x S
S xn
x=10%
9
x=20%
10
x=30% 11
S
S
n
12
S
n
13
R S
S m
R=
S 2 C12H25-n
m: n
n
1.7 14
0.63 15
0.35 16
Y.F. Li, Y.P. Zou, Adv. Mater., 2008, 20, 2952-2958.
90 80 70 60 50 40 30 20
10 (a) IPCE curve
0 400 450 500 550 600
Wavelength (nm)
P1 P2 P3 P3HT
650 700
ITO/PEDOT:PSS(30nm)/Active layer(1:1,80nm)/Mg(10nm)/Al(150nm)
4
2
0
-2
-4
-6
P1
-8
P2
P3
-10
P3HT
-12 -14
(b) I-V curves
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
以 phenylene-vinyl 为共轭支链的聚噻吩
O
OO
O
O2N O
O
O
Normalized absorption(A.U.) Absorbance (10-2/nm)
2 2
* S n* * S n* * S
S *n * S
S *n * S *n *
S
S xS
S
*
1-x n
PEHPVT PMEHPVT PT1
聚合物太阳能电池材料和器件
内容提要
•共轭聚合物给体光伏材料 •共轭聚合物受体光伏材料和全聚合物太阳能电池 •新型富勒烯衍生物受体材料 •D-A双缆型共轭聚合物光伏材料 •共轭聚合物/无机半导体纳晶共混型太阳能电池
聚合物太阳能电池
优点： 1. 低价、易制备（旋转涂膜、丝网印刷、 打
印等等）
2. 可制成柔性器件 3. 重量轻
吸收光谱
a. 溶液
400 500 600 700
Wavelength (nm)
b. 膜
[Jianhui Hou, et al, Macromolecules, 2006, 39: 594-603]
该论文2008年入选第一届中国百篇最具影响的优秀国际学术论文。
n-C12H25
Absorbance(10-2/nm)
D－A双层聚合物太阳能电池
2.8eV
C60
LUMO
3.7eV
hv
LUMO
ITO
EF
h+
e-
EF
Metal
HOMO
4.9eV
MEH-PPV
HOMO
6.1eV
效率<1% •电荷分离限于双层的接触 界面上，共轭聚合物中激 发子传输距离<10nm •接触界面的面积受到限制
0.99 0.59
P2 P3
P3HT
P1 P2 P3 0.1 mA
-3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0
Potential (V vs Ag/Ag+)
吸收光谱
循环伏安图
IPCE (%) Current Density(mA/cm2)
ITO/PEDOT/P3:PCBM (1:1 w/w)/Mg/Al
2 Current (mA)
S
* S n* P3HT
*S
S m
2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2
300
P1 P2 P3 P3HT Compound 6
400 500 600 700 800
Wavelength (nm)
m:n
1:0
P1
S
S* n
[N.S. Sariciftci, et al., Synth. Met. 59 (1993) 333; Appl. Phys. Lett. 62 (1993) 585].
本体异质结型聚合物太阳能电池
bulk heterojunction polymer solar cell
(a) 器件结构 (b) 开路下的能级图 (c) 短路下的能级图 [G. Yu, J. Gao, J. C. Hummelen, F. Wudl, A. J. Heeger, Science, 270(1995), 1780.]
聚合物太阳能电池光伏材料电子能级对光伏性能的影响
聚合物太阳能电ห้องสมุดไป่ตู้面临的问题：
能量转换效率较低 (最高效率 2003年3％，2004年3.8%，2005年5% 左右，2007年6%, 2009年6.77％) ，主要是由于： 1. 共轭聚合物只能吸收部分太阳光（太阳光的利用率低）。 2. 共轭聚合物的电荷载流子迁移率低。
成，制备聚合物／无机半导体纳晶共混型聚合物太阳能电池。
共轭聚合物给体光伏材料
1. 在可见区具有宽吸收的带共轭支链的聚噻吩 和聚噻吩乙烯衍生物
R
R
R
R
2
2
Sn
P3HT
S
Sn 5 R= C8H17
R 2R
Sn
1
S
S
S
n
Sn
2
3
R=2-ethylhexyl
S
S xS
S 1-x n
4
x=0.52
S3
H 17 n-CN8
Emission spectrum of the sun AM1.5 Absorption spectrum of MDMO-PPV Absorption spectrum of P3AT
MDMO-PPV
MEH-PPV
Sn
P3HT
PCBM
主要给体和受体材料
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Wave Length [µm]
PT2
PT3
PT4 x=0.52
1.0 a
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
300
PEHPVT PMEHPVT PT1 PT2 PT3 PT4
400 500 600 700 800
Wavelength (nm)
1.4 b
1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2
300
PEHPVT PMEHPVT PT1 PT2 PT3 PT4 P3HT
太阳光谱和常用共轭聚合物吸收光谱的比较
我们研究的出发点
为提高聚合太阳能电池的能量转换效率：
（1）设计和合成在可见区具有宽吸收、高载流子迁移率和适当 电子能级的共轭聚合物给体和受体光伏材料。
（2）设计和合成具有高溶解度、高电子迁移率和适当LUMO能级 的新型富勒烯电子受体材料。
（3）设计和合成高效共轭有机分子光伏材料。 （4）实现无机半导体纳晶电子受体材料的尺寸和形貌的可控合
S
S
S
S
mS
n
m:n
R=C12H25
1:0 6 0.99 7
0.59 8
S
S
1-x S
S xn
x=10%
9
x=20%
10
x=30% 11
S
S
n
12
S
n
13
R S
S m
R=
S 2 C12H25-n
m: n
n
1.7 14
0.63 15
0.35 16
Y.F. Li, Y.P. Zou, Adv. Mater., 2008, 20, 2952-2958.
90 80 70 60 50 40 30 20
10 (a) IPCE curve
0 400 450 500 550 600
Wavelength (nm)
P1 P2 P3 P3HT
650 700
ITO/PEDOT:PSS(30nm)/Active layer(1:1,80nm)/Mg(10nm)/Al(150nm)
4
2
0
-2
-4
-6
P1
-8
P2
P3
-10
P3HT
-12 -14
(b) I-V curves
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
以 phenylene-vinyl 为共轭支链的聚噻吩
O
OO
O
O2N O
O
O
Normalized absorption(A.U.) Absorbance (10-2/nm)
2 2
* S n* * S n* * S
S *n * S
S *n * S *n *
S
S xS
S
*
1-x n
PEHPVT PMEHPVT PT1
聚合物太阳能电池材料和器件
内容提要
•共轭聚合物给体光伏材料 •共轭聚合物受体光伏材料和全聚合物太阳能电池 •新型富勒烯衍生物受体材料 •D-A双缆型共轭聚合物光伏材料 •共轭聚合物/无机半导体纳晶共混型太阳能电池
聚合物太阳能电池
优点： 1. 低价、易制备（旋转涂膜、丝网印刷、 打
印等等）
2. 可制成柔性器件 3. 重量轻
吸收光谱
a. 溶液
400 500 600 700
Wavelength (nm)
b. 膜
[Jianhui Hou, et al, Macromolecules, 2006, 39: 594-603]
该论文2008年入选第一届中国百篇最具影响的优秀国际学术论文。
n-C12H25
Absorbance(10-2/nm)