有机太阳能电池笔记整理
高二选修二化学知识点总结笔记
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太阳能电池基础知识
第一：太阳能电池基础知识第一：太阳能电池基础知识(说明：文档中图形，稍后补上）编辑本段回目录太阳电池片的工作原理第1章1 半导体物理基础1.1 半导体的性质世界上的物体如果以导电的性能来区分，有的容易导电，有的不容易导电。
容易导电的称为导体，如金、银、铜、铝、铅、锡等各种金属；不容易导电的物体称为绝缘体，常见的有玻璃、橡胶、塑料、石英等等；导电性能介于这两者之间的物体称为半导体，主要有锗、硅、砷化镓、硫化镉等等。
众所周知，原子是由原子核及其周围的电子构成的，一些电子脱离原子核的束缚，能够自由运动时，称为自由电子。
金属之所以容易导电，是因为在金属体内有大量能够自由运动的电子，在电场的作用下，这些电子有规则地沿着电场的相反方向流动，形成了电流。
自由电子的数量越多，或者它们在电场的作用下有规则流动的平均速度越高，电流就越大。
电子流动运载的是电量，我们把这种运载电量的粒子，称为载流子。
在常温下，绝缘体内仅有极少量的自由电子，因此对外不呈现导电性。
半导体内有少量的自由电子，在一些特定条件下才能导电。
半导体可以是元素，如硅（Si）和锗（Ge），也可以是化合物，如硫化镉（OCLS）和砷化镓（GaAs），还可以是合金，如GaxAL1-xAs，其中x为0-1之间的任意数。
许多有机化合物，如蒽也是半导体。
半导体的电阻率较大（约10-5≤ρ≤107Ω⋅m），而金属的电阻率则很小（约10-8∼10-6Ω⋅m），绝缘体的电阻率则很大（约ρ≥108Ω⋅m）。
半导体的电阻率对温度的反应灵敏，例如锗的温度从200C升高到300C，电阻率就要降低一半左右。
金属的电阻率随温度的变化则较小，例如铜的温度每升高1000C，ρ增加40%左右。
电阻率受杂质的影响显著。
金属中含有少量杂质时，看不出电阻率有多大的变化，但在半导体里掺入微量的杂质时，却可以引起电阻率很大的变化，例如在纯硅中掺入百万分之一的硼，硅的电阻率就从2.14×103Ω⋅m减小到0.004Ω⋅m左右。
太阳能光伏发电技术(笔记)
太阳能光伏发电技术（笔记）第一章太阳（光）的基本常识1.太阳常数：描述大气层上界的太阳辐射强度。
定义：在平均日地距离时，地球大气层上界垂直于太阳光线表面的单位面积上单位时间内所接受到的太阳辐射。
其参考值为1367 7W/m2。
2.太阳光谱：太阳发射的电磁辐射在大气顶上随波长的分布叫太阳光谱。
3.大气质量：太阳光线穿过地球大气的路径与太阳光线在天顶角方向时穿过大气路径之比。
第二章太阳电池基础1.硅片的生产：至少纯度是6个9！2.太阳电池用硅片：二氧化硅——冶金级硅——高纯三氯氢硅——高纯多晶硅原料——单晶硅棒或多晶硅锭——硅片——太阳能电池——太阳能电池组件高纯多晶硅：西门子法（SiHCl3还原法）SiHCl3与H2反应生成多晶硅。
高纯单晶硅：将多晶硅原料进行CZ法（或区溶法）得到单晶硅。
3.制作：一般为在P型硅片上进行掺杂（磷），即P型硅片上形成N型区，就是一个PN结（N+/P）。
4.太阳电池的工艺（单晶）：P型单晶硅棒——切片（300微米左右）——腐蚀——清洗（1）硅片腐蚀：NaOH腐蚀，除去硅片的机械切痕和损伤，腐蚀5——10微米。
再用NaCO3进行表面绒化，因为硅的（100）和（111）面的腐蚀速率不同，而在表面出现金字塔构造，即为陷光结构。
如在镀层减反射膜可以使反射降低至1%以下。
（2）扩散制结：P型硅片上进行扩散，掺磷形成PN结。
（3）等离子边缘腐蚀：由于扩散过程中PN结的边缘也扩散了，容易造成PN结短路，利用辉光放电中的氟离子与硅反应，达到腐蚀目的。
（4）去磷硅玻璃（5）减反射膜的制备：利用PECVD淀积一层氮化硅（SiN X）减反膜，不但可以减少反射，而且可以起到很好的表面钝化和体钝化作用。
（6）表面金属化：丝网印刷（蒸镀或化学电镀）金属电极。
正面电池的形式和厚度的两个矛盾：一方面要提高透过率；另一方面要保证栅网电极有一个尽可能低的接触电阻。
（7）检测分级：对每个电池进行测试，按电流和功率的大小分级5.太阳电池的理论分析：太阳电池可处以四种不同的工作状态：（1）无光照无电压无电流；（2）有光照但短路短路电流；（3）有光照但开路开路电压；（4）有光照和有负载有电压，有电流。
太阳电池基本原理总结(硕士论文草稿较乱)
一，半导体的基本知识2，半导体和PN结：硅原子一般使用共价键模型，来描述半导体的表现（behaviour）。
The electrons in covalent bonds have energies corresponding to those in the valence band, covalent bonds(共价键)，valence band(价带)，in the conduction band , the forbidden gap corresponds to the minimum energy .硅晶态, definitions:Microcrystalline material has grains smaller than 1 微米；Polycrystalline smaller than 1 mm,Multicrystalline smaller than 10 cm.Crystalline silicon, the most expensive type of silicon, because of the careful and alow manufacturing processes required.the cheaper multicrystalline or polycrystalline silicon (poly-silicon), and amorphous silicon are therefore increasingly being used for solar cell, despite their less ideal qualities.Multicrystalline silicon: the grain boundaries reduce the cell performance by blocking carrier flows, allowing extra energy level in the forbidden gap.（forbidden gap 中的额外能级，为什么会影响电池效率？）这样就提供了很有效果的e-h复合地点，并提供了经过p-n结的电流的分流通道（shunting paths for current flow across the p-n junction）为了避免晶粒边界处过多的复合，晶粒尺寸就需要达到几毫米（millimeters）.由于一般的晶硅电池的厚度在200-500微米之间，所以这样就使得单个晶粒能够从电池的前面穿到后面，这样也就减少了载流子迁移到上下表面的障碍，一般也会减少单位体积的电池的晶界的长度，（减少了e-h复合点）。
有机太阳能电池的基本理论和参数表征
有机太阳能电池的基本理论和参数表征1.1 太阳光谱所谓太阳能电池，就是将太阳能转化成电能的设备，要研究太阳能电池，首先要清楚地认识太阳光谱，才有利于做针对性的选择电池材料。
首先太阳能是由H He核聚变放出的，其表面温度约6000K，因此，太阳光谱可看做是6000K 的黑体辐射谱。
人类将太阳辐射到达地球的部分定义为三种，分别是AM0、AM1.0和AM1.5。
AM0表示垂直于大气层外的太阳辐射，AM1.0表示垂直于大气层内地壳表面的太阳辐射，AM1.5表示入射方向与地表垂直方向成48.2度夹角的太阳辐射。
在大气层外，太阳垂直入射的辐照功率基本是个常数，称为AM0辐照，现最为认可的数值是1.353kw/m2。
因为AM0表示大气层外的辐射，与黑体辐射很相似，尤其是在长波范围，近乎相同。
但是在短波范围有一些差距，主要是由太阳大气层对辐射的吸收造成。
太阳辐射进入地球大气层，还会损失约30%的能量。
所以普遍的地面太阳光谱是AM1.5，总功率密度约832w/m2。
就AM1.5来看，光谱包含红外区以外的部分，但绝大多数是可见光和300~950nm的红外波段，其中以波长为600~900nm最佳。
太阳能辐射放出的能量巨多，用之不竭，但目前利用率最好的电池，转换效率也仅有30%，其主要原因就是一般材料对光谱的吸收具有选择性，我们需要宽带吸收光谱的电池活性材料。
1.2 有机太阳能电池的主要表征参数当我们拿到一个太阳能电池时，我们要评价它性能是否优良。
我们就需要知道一些关于它的参数作参考，通常，我们需要测量太阳能电池的开路电压、短路电流、内外量子效率、填充因子、光转换效率及吸收光谱等参数，来对该电池进行性能评价。
为清楚地说明，各项参数意义，我们做太阳能电池在光照条件下的经典I-V 曲线图。
如图2-1，各表征参数定义如下：开路电压（VOC ）: 在有机材料两端处于开路状态时，I=0，此时的端电压称为开路电压。
该电压主要决定于光敏材料的禁带宽度。
高等太阳能电池电子笔记
1.太陽能發電原理：一種經由太陽光照射後，將光的能量轉換成電能，以太陽能電池直接轉換發電，優點：安全、清潔、能量充足，缺點：1.受天候與夜間受天候與夜間無陽光的限制。
2.太陽能電池成本高，轉換效率不佳。
2.太陽能電池主要功能是將光能轉換成電能，這種現象稱為光伏效應。
3.光電效應（Opto-Electronic Effect即是光能轉換成電能的現象。
4.電光效應（Electro-Optical Effect是一種將電能轉換成光能的物理現象。
5.太陽電池元件以及發光二極體元件，均是含有兩個電極的二端子型元件。
6.太陽電池元件是光電效應，發光二極體元件是電光效應。
7.太陽能電池的基本結構：8.要判別一個太陽電池性能的好壞，最重要的就是轉換效率（n ），轉換效率定義為：7 = —x 100% =旦冬x 100%Pin Pin其中Pin為太陽光入射功率，Pm為最大輸出功率，Im與Vm分別為在最大輸出功率時的電流與電壓。
9.目前各種太陽電池的最高效率：單晶矽：24.7%多晶矽：19.8%非晶矽：14.5%GaAs： 25.7%CIGS：18.8%多接面串疊型(In GaP/GaAs//l nGaAs, multiju nction tan dem cell)33.3%10.太陽能的聚熱法：塔聚熱式：地面舖設許多平面鏡，將太陽光反射，集中於塔上。
反射鏡必須面向太陽傾斜。
圓柱狀拋物面式：運用反射鏡將太陽光反射之後集中於焦點的管子當中。
曲面聚熱式：利用平面鏡排成曲面，將管子隨時移動至焦點上收集太陽熱點上收集太陽熱。
球狀拋物面式：利用反射鏡將太陽熱能反射於焦點上，反射鏡必須面向太陽跟著轉動。
11.有機太陽能電池是利用有機材料使用化學合成的方式調整其能隙(band gap)讓製作出的元件能涵蓋更廣的太陽光譜且由於高吸光係數，所以有機層的厚度僅需幾百奈米。
並可以利用疊層結構(tandem cell，) 去設計每層要用什麼材料去吸收特定波段的光譜，藉此提升轉換效率。
太阳能发电 笔记
太阳能发电太阳能热电站的工作原理，就是利用汇聚的太阳光，把水烧至沸腾变为水蒸汽，然后用来发电。
太阳能：太阳中的氢原子核在超高温时聚变释放的巨大能量。
各种化石燃料（煤炭、石油、天然气）都是因为各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来后，再由埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成。
此外，水能、风能、波浪能、海流能等也都是由太阳能转换来的。
太阳能发电有两种类型：太阳光发电（太阳能光发电），是将太阳能直接转变成电能。
包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电四种，在光化学发电中有电化学光伏电池、光电解电池和光催化电池。
太阳热发电（太阳能热发电），是先将太阳能转化成热能，再将热能转化成电能，它有两种转化方式，一种是将太阳热能直接转化成电能，如半导体或金属材料的温差发电，另一种是将太阳热能通过热机（如汽轮机）带动发电机发电。
火电：燃料有限；污染环境。
水电：水里资源有限，淹没土地，破坏生态，崩塌后果严重。
核电：核泄漏危险。
新能源的两个条件：一蕴藏丰富不枯竭；二安全、干净不会威胁人类和破坏环境。
目前有两种：太阳能和燃料电池。
太阳能发电特点：1，无枯竭危险；2，绝对干净无公害；3，不受资源分布地域限制；4，可在用电处就近发电；5，能源质量高；6，使用者从感情上容易接受；7，获取能源花费时间段。
不足之处：1，照射的能量分布密度小，即要占用巨大面积；2，获得能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。
要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低其成本，二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。
太阳能电池主要有：单晶硅、多晶硅、非晶态硅三种。
单晶硅太阳能电池变换效率最高，已达20%以上，但间隔也最贵。
非晶态硅太阳电池变换效率最低，但价格最便宜，今后最可能被广泛使用。
太阳能发电系统主要包括：太阳能电池组件（阵列）、控制器、蓄电池、逆变器、用户即照明负载等组成。
其中太阳能电池组件和蓄电池为电源系统，控制器和逆变器为控制保护系统，负载为系统终端。
《太阳能电池基础与应用》有机太阳能电池基本理论知识-第一部分
材料设计 电荷分离与传输
界面工程 形貌优化
三元体系 叠层结构
L. Y. Lu and L. P. Yu et al., Chem. Rev., 115,12666 (2015).
39
Thanks for your attention!
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HTL (PEDOT:PSS) ITO/Glass
能级排布
电子
给体 受体
ITO PEDOT:PSS 空穴 阳极
Ca Al 阴极
p‐型传输层: PEDOT:PSS, MoO3, V2O5 and NiO et al. n‐型传输层: ZnO, TiO2, polyeltr 反型结构较正型结构具有更好的稳定性。
超快光谱分析， 超快电荷转移
Light Dark
Light Dark
ITO/MEH‐PPV:PC61BM/Al 2.9% PCE
ITO/MEH‐PPV/Al ~0.02% PCE
G. Yu et al., Science, 270, 1789 (1995).
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体异质结太阳能电池概念的提出
体异质结能够高效地实现激子的分离。
Tang, C. W.; Vanslyke, S. A. (1987). "Organic electroluminescent diodes". Applied Physics Letters 51 (12): 913.
23
有机发光二极管的应用
24
有机太阳能电池的研究历史
肖特基结太阳能电池 Al, Mg, Ca
16
有机半导体导电机制
电荷在有机半导体材料中的传输
17
典型有机半导体
典型的π-共轭的小分子和聚合物
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邓瑞
导师：项金钟老师 胡永茂老师 朱 艳老师
Байду номын сангаас
OPV研究发展现状：
OPV研究发展现状：
续
OPV研究发展现状： ——启示
• 1.在效率上能做出重大突破的都使用自 己合成的某种材料。
• 2.小分子体系使用Al电极，聚合物体系 使用Ag电极。 • 3.P3HT和PCBM是目前相对理想的给体受 体材料。（缺点是能带宽）
OPV研究发展现状： ——常用材料
• 1.给体材料：钛青铜（CuPc）、DCV6T、P3HT、 MEH-PPV、MDMO-PPV、PCDTBT、PTB7、 PBDTTT-CT。 • 2.受体材料;C60、ICBA、F16CuPc、PC71BM（目 前最常用）。 • 3.阳极修饰材料(HTL)：PEDOT:PSS（5.2ev）、 V2O5（7.0ev）、MoO3（6.8ev）、WO3、NiO、 ZnO、TiO2、ZnO-polyelectrolyte nano。 • 4.阴极修饰材料（ETL）：Ca、BCP、Alq3、PFN、 Bphen、HATNA、LiF（修饰Al）、CPEs、NPEs。
谢 谢 观 看
OPV研究发展现状： ——效率提高思路之聚合物系
• 1.合成既有给体单元又有受体单元的D-A型聚合物。 • 2.使用溶剂退火、热退火、加入溶剂添加剂等方 法控制混合薄膜形貌。（最优化的形貌是给体受 体在膜内形成相互贯穿的双连续网状结构） • 3.界面修饰：①降低有机层/电极处的势垒，使肖 特基接触变为欧姆接触；②阻挡空穴向阴极流动 或阳极电子向阳极流动；③调整光敏感层内光场 分布；④保护有机层免受电极沉积时的破坏。
OPV研究发展现状： ——存在的问题
• 1.给体材料—需要低HOMO能级提高开路电压， 窄的带宽提高光子吸收，高的迁移率提升填充因 子。 • 2.受体材料—光吸收能力有待加强、如何与给体 形成较好相分离。
• 3.界面修饰材料—更好的能级匹配，界面势垒的 改善，增加载流子注入并保护光活性层。
THANKS
OPV研究发展现状： ——效率提高思路之小分子系
• 1.使用平面异质结构（如CuPc：C60）克服激子 扩散长度短的缺陷。
• 2.合成可溶性小分子给体材料，制备和聚合物 一样的体异质结结构器件。即可克服扩散长度 不足，又能精控薄膜形貌。
• 3.将两个不同吸收范围的电池串联，制备成叠 层器件，提高吸收光谱。（难度大）