聚合物太阳能电池综述
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。
DSSC太阳能电池结构原理及各方面的综述
收稿日期:2006-03-20作者简介:白素贞(1977-),女,河南省襄城县人,平顶山学院化学化工学院讲师.DSSC 太阳能电池白素贞,杨维春(平顶山学院,河南平顶山467002)摘 要:介绍了染料敏化纳米太阳能电池(DSSC 电池)的结构和原理,对纳米TiO 2膜、敏化染料、电解质的研究进展进行了综述,并对其应用前景作出展望.关 键 词:染料敏化;纳米薄膜;太阳能电池中图分类号:T K511 文献标识码:A 文章编号:1673-1670(2006)05-0044-041 引言太阳能作为一种可再生能源,具有其它能源所不可比拟的优点.它取之不尽,用之不竭,而且分布广泛,价格低廉,使用安全,不会对环境构成任何污染.将太阳能转换为电能是利用太阳能的一种重要形式.在过去的十几年中,利用半导体光电化学电池替代常规固态光伏半导体太阳能电池来完成太阳能转换的潜在经济价值日益显现.在众多的半导体材料中,TiO 2以其独有的低廉、稳定的特点得到广泛的应用.辐射到地球表面的太阳光中,紫外光占4%,可见光占43%,N 型半导体TiO 2的带隙为3.2eV ,吸收位于紫外区,对可见光的吸收较弱,为了增加对太阳光的利用率,人们把染料吸附在TiO 2表面,借助染料对可见光的敏感效应,增加了整个染料敏化太阳能电池对太阳光的吸收率,由此构造了染料敏化太阳能电池-DSSC (dye -sensitized solar cell )电池.1991年瑞士洛桑高等工业学院的Gratzel 教授等[1]在Nature 上发表文章,提出了一种新型的以染料敏化TiO 2纳米薄膜为光阳极的光伏电池,它是以羧酸联吡啶钌(Ⅱ)配合物为敏化染料,称为Gratzel 型电池.这种电池的出现为光电化学电池的发展带来了革命性的创新.目前,此种电池的效率已稳定在10%左右,制作成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10,寿命能达到20年以上,具有广泛的应用价值.2 DSSC 电池的结构和基本原理DSSC 是由透明导电玻璃、TiO 2多孔纳米膜、敏化染料、电解质溶液以及镀Pt 对电极构成的“三明治”式结构电池.光电转换机理如下[2-3]:1)太阳光(hν)照射到电池上,基态染料分子(S )吸收太阳光能量被激发,染料分子中的电子受激跃迁到激发态(S 3);2)激发态的电子快速注入到TiO 2导带中;3)电子在TiO 2膜中迅速的传输,在导电基片上富集,通过外电路流向对电极;4)处于氧化态的染料分子(S 3)与电解质(I -/I 3-)溶液中的电子供体(I -)发生氧化还原反应而回到基态,染料分子得以再生;5)在对电极附近,电解质溶液得到电子而还原(见图1).图1 染料敏化太阳能电池基本原理示意图第21卷第5期2006年10月 平顶山学院学报Journal of Pingdingshan University Vol.21No.5Oct.20063 影响因素下面主要从太阳能电池的结构讨论其光电转化性能的影响因素.3.1 TiO 2电极膜材料在染料敏化纳米太阳能电池中可以用的纳米半导体材料是多种多样的,如金属硫化物、金属硒化物[4-5]、钙钛矿以及各种金属的氧化物.在这些半导体材料中,TiO 2性能较好:1)作为光电极很稳定;2)TiO 2比较便宜,制备简单,并且无毒.纳米TiO 2的粒径和膜的微结构对光电性能的影响很大.纳米TiO 2的粒径小,比表面积越大,吸附能力越强,吸附染料分子越多,光生电流也就越强.所以人们采用不同方法制备大比表面积的纳米TiO 2,包括气相火焰法、液相水解法、TiCl 4气相氧化法、水热合成法、溶胶凝胶法等[3,6-8].将得到的TiO 2微粒沉积到导电玻璃表面制备TiO 2薄膜电极.染料敏化纳米太阳能电池所用的纳米膜包括致密的TiO 2薄膜和纳米多孔结构的TiO 2薄膜.通常的制备方法有:溶胶凝胶法、水热反应法、溅射法、醇盐水解法、溅射沉积法、等离子喷涂法和丝网印刷法等[9-11].纳米TiO 2的微观结构,如粒径、气孔率等对太阳能电池的光电转换效率有非常大的影响.对TiO 2电极的改造工作主要包括2个方面:1)TiO 2的离子掺杂.离子的掺入减少了电子空穴对的复合,促进了电子空穴的分离,延长了电荷的寿命,从而使光电流得到增大,掺杂离子主要是过渡金属离子或者稀土元素[12-16];2)复合薄膜.常用的复合半导体化合物有CdS ,ZnO ,PbS 等[17-19].3.2 敏化染料的开发染料敏化光电化学电池对染料敏化剂和氧化还原对有一定的要求,必须满足下列条件:1)在半导体表面具有良好的吸附性,能够快速达到吸附平衡,且不易脱落,染料分子母体上应有易于纳米半导体表面接合的基团,如-COOH ,-SO 3H ,-PO 3H 2等[1,3,20];2)足够负的激发态氧化还原电势以使电子注入到半导体导带;3)激发态寿命足够长,且具有高电荷传输效率;4)与太阳光谱相匹配,尽可能将光吸收区扩展到红外区;5)氧化态与激发态稳定性较高,不易分解;6)基态的染料敏化剂不与溶液中的氧化还原对发生作用;7)氧化还原对的电势与半导体的平带电势相差越大越好;8)电子在转移过程中速率常数要大,以使能量损失较小[3,21-23].常见的用作敏化剂的染料主要包括:1)羧酸多吡啶钌.这是用得最多的一类染料,它们具有特殊的化学稳定性、突出的氧化还原性质和良好的激发态反应活性,对能量传输和电子传输都具有很强的光敏化作用.目前,使用效果最好的染料为RuL 2(SCN )2(L =4,4’-二羧基2,2’-联吡啶)和K -19染料(见图2)[24-28].2)有机类染料.包括聚甲川染料[29]、酞菁类染料(见图3)[30]、以及一些天然染料,如类胡萝卜素[31]、花青素[32]、紫檀色素[33]等.纯有机染料种类繁多,吸光系数高,成本低,但电池的IPCE 和ηsun (总光电转换效率)比较低.3)复合染料.为了最大限度的吸收可见光-近红外光波段的太阳光能,把两种或多种在不同光谱段有敏化优势的染料嫁接在一起,形成的复合染料[34-35].4)透明染料.将DSSC 太阳能电池板制备成窗玻璃,这是针对DSSC 电池实用化开发的新染料.图2 K -19染料的化学式3.3 电解质液体电解质的选材范围广,电极电势易于调节,因此得到了令人欣喜的结果.目前主要应用的液体电解质为I 3-/I -、Br 2/Br -、Na 2SO 4/Na 2S 、[Fe(CN )6]3-/[Fe(CN )6]4-[36-37]等.液体电解质的转化效率较高,但易出现敏化染料脱附、密封困难等问题.固体电解质可以避开这些缺点,因此开发转化效率较高的固体电解质有重要意义[38].固态电解质的研究包括:1)凝胶电解质:如由偏二氟乙烯和六氟丙稀聚合的凝胶电解质,敏化到纳晶电极上组成的电池在太阳光下的光电转化效率超过了6%[39-40].2)P 型半导体电解质:如CuI 电解质、CuSCN 聚合物电解质等[41].3)聚合物空穴传输材料,如聚乙烯咔唑、聚硅烷、聚丙烯酸酯等也被用于固态太阳能电池中[42].・54・第5期 白素贞,杨维春:DSSC 太阳能电池与液体电解质相比,这些半固态、固态电解质的光电转化效率还普遍较低(小于3%),这可能是由于半固态、固态电解质很难与多孔的TiO 2电极紧密结合,载流子在“染料/电解质”界面复合严重造成的.但是,我们相信随着研究的深入,固态电解质将进一步发挥其优势,光电性能将逐渐逼近传统的液态电解质.图3 酞菁Zn 化合物3.4 光阴极(对阴极)I 3-在光阴极上得到电子生成I -离子,该反应越快,光响应就越好.目前,铂电极用的最多,当然也有研究者用碳材料以及其他廉价金属来代替铂作光阴极材料,取得了一定的进展[43].4 结论尽管染料敏化纳米太阳能电池总的光电转换效率已超过了10%,发展潜力巨大,但是要想真正实用化还需要解决以下几个问题:1)纳米TiO 2膜的制备.优化纳米晶膜,减少电子在传输过程中的损失;探索多种半导体的复合膜,优化TiO 2的能级结构和与染料能级的匹配性,制备更为紧凑有序的纳米阵列电极材料是今后的主要研究内容[7,44].2)染料问题.寻找低成本而性能良好的染料和利用几种染料的共敏化作用,设计合成全光谱吸收的黑染料可以提高总的效率.3)固态电解质.这是DSSC 太阳能电池实用化的前提.4)对电子注入和传输的内在机理进行深入的研究.设计出更有利于光吸收、电子注入和传输的DSSC 太阳能电池.虽然目前还存在一些问题,但是随着技术的进一步发展,DSSC 太阳能电池必将走向实用化,从根本上解决人类的能源问题.参考文献:[1]O ’REG AN B ,GRA TZEL M.A Low -cost ,High E ffi 2ciency S olar Cell Based on Dye -sensitized Colloidal TiO 2Films[J ].J Nature ,1991,353:734-740.[2]Tennakone K ,et al.A dye -sensitized mano -porous sol 2id -state photovoltaic cell [J ].Semicond.Sci.Technol.1995,10(12):1689-1693.[3]陈 炜,孙晓丹,等.染料敏化太阳能电池的研究进展[J ].世界科技研究与发展,2004,26(5):27-34.[4]Wang Y anqin ,Hao Y anzhong et al.The Photoelec 2trochemistry of transition metal -ion -doped TiO 2nanocrystalline electrodes and higher solar cell conversion efficiency based on Zn2+-doped TiO 2electrode [J ].J .Mater.Sci ,1999,34(12):2773-2779.[5]Shiratsuchi ,K entaro ,Takizawa ,Hiroo.Photoelectric conversion device and solar cell :European patent.,0901175A2[P].1999-03-10.[6]方晓明,翟金清,陈焕钦.液相法合成纳米TiO 2的进展[J ].硅酸盐通报,2001(6):30-32.[7]武文俊,郝彦忠.纳米光电化学电池的敏化剂及其敏化机理研究[J ].河北科技大学学报,2004,25(2):4-9.[8]Yury V K olen ko ,Victor D Maximov ,Alexei V G arshev ,et al.Hydrothermal synthesis of nanocrystalline and meso 2porous titania from aqueous complex titanyl oxalate acid so 2lutions[J ].Chemical Physics Letters ,2004,388:411-415.[9]Christophe J ,Gr ¨atzel Michael ,et al .Nanocrystalline ti 2・64・平顶山学院学报 2006年tanium oxide electrodes for photovoltaic application[J].J.Am.Ceram.S oc.,1997,80(12):3157-3171. [10]Hagfeldt Anders,et al.Photoelectrochemical studies ofcolloidal TiO2films:the charge separation process studied by means of action s pectra in the UV region[J].S olar Energy Materials and S olar Cells,1992,27:293-304. [11]Hofler H J urgen,Hahn Horst.Temperature dependenceof the hardness of nanocrystalline titanium dioxide[J].J.A m.Ceram.S oc.,1991,74(10):2672-2674.[12]杨 蓉,王维波,等.苯基磷酸联吡啶钌络合物敏化纳晶多孔TiO2薄膜电极光电性能研究[J].感光科学与光化学,1997,15(4):293-296.[13]Wang Y anqin,Cheng Humin,Hao Y aozhong,et al.Preparation,characterization and photoelectrochemical be2 haviors of Fe(III)-doped TiO2nanoparticles[J].J.Mater.Sci.,1999,34(15):3721-3729.[14]Wang Chuan-yi.In situ electron microscopy investiga2tion of Fe(III)-doped TiO2nanoparticles in an aqueous environment[J].Journal of Nanoparticle Research,2004(6):119-122.[16]Teruhisa Ohno,Toshiki Tsubota.Photocatalytic activityof a TiO2photocatalyst doped with C4+and S4+ions having a rutile phase under visible light[J].Catalysis Let2 ters,2004,98:255-258.[17]Tennakone K.A dye-sensitized nano-porous solid statephotovoltaic cell[J].Semiconductor Science and Technol2 ogy,1995(10):1689-1693.[18]Zaban A,Chen S G,Chappel S,et al.Bilayer nanoporouselectrodes for dye sensitized solar cells[J].Chem.Comm.,2000,22:2231-2232.[19]Tennakone K,et al.An efficient dye-sensitized photo2electrochemical solar cell made from oxides of tin and zinc [J]mu.,1999:15-16.[20]孙世国,彭孝军,等.铼联吡啶系列光敏染料的合成[J].高等学校化学学报,2004,25:820-822.[21]吴季怀,郝三存,等.染料敏化TiO2纳晶太阳能电池研究进展[J].华侨大学学报,2003,24:335-344. [22]Xiao Zhongdang,Li Ming,et al.The influence of newbinding state of dye-molecules to TiO2electrode surface on IPCE performance[J].J.Phys.Chem.S olid,1998, 59:911-914.[23]K ay Andreas,Gr¨atzel M.Low cost photovoltaic modulesbased on dye-sensitized nanocrystalline titanium dioxide and carbon power[J].S olar Energy Materials and S olar Cells,1996,44:99-117.[24]Desilvoestro J,Gratzel M,K aven L,et al.Highly effi2cient sensitization of titanium dioxide[J].J.AM.Chem.S oc.,1985,107(10):2988-2990.[25]Zubavichus Y V,Slovokhotov Y L,et al.StructuralCharacterization of S olar Cell Prototypes Based on Nanocrystalline TiO2Anatase Sensitized with Ru Com plex2 es.X-ray Diffraction,XPS,and XAFS S pectroscopy Study[J].Chem.Mater.,2002,14:3556-3563. [26]Wang P,Zakeeruddin S M,et al.G elation of Ionic Liq2uid-Based Electrolytes with Silica Nanoparticles for Quasi -S olid-State Dye-Sensitized S olar Cells[J].J.AM.CHEM.SOC.,2003,125:1166-1167.[27]Herve′Nusbaumer,Jacques- E.Moser.Co II(dbbip)22+Complex Rivals Tri-iodide/Iodide Redox Mediator in Dye-Sensitized Photovoltaic Cells[J].J.Phys.Chem.B,2001,105:10461-10464.[28]Zakeeruddin S M,Nazeeruddin M K.Design,Synthesis,and Application of Amphiphilic Ruthenium Polypyridyl Photosensitizers in S olar Cells Based on Nanocrystalline TiO2Films[J].Langmuir,2002,18:952-954.[29]James C,Hideo T.Fabrication of solid state d ye-sensi2tized TiO2solar cells combined with polypyrrole[J].Jour2 nal of Applied Phycology,2000(12):207-218. [30]Arakawa H,et al.Photosensitization of a porous TiO2electrode with merocyanine dyes containing a carboxyl group and a long alkyl chain[J]mun., 2000,13:1173-1174.[31]Moon I S,K im D S.Electron transfer via organic dyes forso lar conversion[J].Journal of Materials Science:Mate2 rials in Elexctronics,2001(12):137-143.[32]Srikanth K,Marathe V R,M anoj K.Role of electronicstructure of ruthenium polypyridyl dyes in the photoconver2 sion efficiency of dye-sensitized solar cells:Semiem pirical investigation[J].International Journal of Quantum Chem2 istry,2002,89:535-549.[33]Grabzel M.S ol-gel processed TiO2films for photovoltaicapplications[J].Journal of S ol-G el Science and Technol2 ogy,2001,22:7-13.[34]Nuesch F,Gratzel M.Merocyaine Aggregation in Meso2porous Networks[J].J.Am.Chem.S oc.,1996,118(23):5420-5431.[35]Huang Chun Hui,et al.Photocurrent Enhancement ofHemicyanine Dyes Containing-SO32-Group through Treating TiO2Films with Hydrochloric Acid[J].J.Phys.Chem.B,2001,105(38):9210-9217.[36]Hu Jianjun,Lindstro H.Dye-sensitized nano structuretandem cell first demonstrated cell with a dye-sensitized photocathode[J].S olar Energy Materials and S olar Cells, 2000,62:265-273.(下转第60页)・74・第5期 白素贞,杨维春:DSSC太阳能电池[2][美]Russell Jones A.As 与C #:从入门到精通[M ].陈建春,白 雁,杨永平,等,译.北京:电子工业出版社,2003.[3]萨师煊,王 珊.数据库系统概论[M ].北京:高等教育出版社,2002.[4][美]Jeff Ferguson ,Brian Patterson ,等.C #宝典[M ].盖江南,朱海绫,王 勇,等,译.北京:电子工业出版社,2002.N e ws Management System B ased On .N etSUN Ze -jun ,SUN Ya -nan(Pingdingshan University ,Pingdingshan ,Henan 467002,China )Abstract :This paper introduces the way and the method of using ASP.N ET and database techniques to develop school news management systems.Schools realize their news dynamic management and the unified news management of each department with this system ,which makes the information management more prompt and more efficient.At the same time ,the developmental principle ,the function and characteristics and the design scheme of the system are introduced.K ey w ords :database ;columns management ;news management ;pictures management ;ASP.N ET(上接第47页)[37]Jessica Kruger ,Robert Plass ,Michael Gratzel.Im prove 2ment of the photovoltaic performance of solid2state dye2sensitized device by silver complexation of the sensi 2tizer cis2bis (4,4’-dicarboxy2,2’-bipyridine )-bis (isothiocyanato )ruthenium (II )[J ].Applied Physics Letters ,2002,81(2):367-369.[38]Tennakone K ,Bandara J.Photocatalytic acivity of dye -sensitized tin (IV )oxide nanocrystalline particles at 2tached to zinc oxide particles :Long distance electron transfer viaballistictrans portofelectrons acrossnanocrystalline [J ].Applied Catalysis (A ):G eneral ,2001,208:335-341.[39]Wang P ,Shaik M ,et al.A stable quasisolid -state dye-sensitized solar cell with an am phiphilic ruthenium sen 2sitizer and polymer gel electrolyte[J ].Nature Materials ,2003(2):402-407.[40]Eichberger R ,Wiling F.Optoelectronic studies innanocrystalline silicon schottky diodes obtained by hot -wire CVD [J ].Chem.Phys.,1990,141:159-167.[41]Tennakone K ,Kumare G R R A ,et al.A d ye sensi 2tized nanoporous solid state photovoltaic cell [J ].Semi 2cond Sci Technol ,1995(10):1689-1693.[42]Brian O ’Regan ,Frank Lenzmann ,Ruud Muis ,Jean 2nette Wienke.A S olid -State Dye -Sensitized S olar Cell Fabricated with Pressure Treated P25TiO 2and CuSCN :Analysis of Pore Filling and IV Characteristics [J ].Chem.Mater.,2002,14:5023-5029.[43]范乐庆,吴季怀,黄昀 ,林建明,等.阴极修饰对染料敏化TiO 2太阳能电池性能的改进[J ].电子元件与材料,2003,22(5):1-3.[44]Ulrike Diebold.The surface science of titanium dioxide[J ].Surface Sceence Reports ,2003,48:53-229.DSSC SOLAR CE LLBA I Su -zhen ,YAN G Wei -chun(Pingdingshan University ,Pingdingshan ,Henan 467002,China )Abstract :The fundamental structure and the principle of the dye -sensitized nanocrystalline solar cell (DSSC )are introduced in this essay.An overview of nanocrystalline TiO 2film ,dye -sensitization and hole -transporting materials is also given ,and the development prospect is described.K ey w ords :dye -sensitization ;nano -crystalline film ;solar cell・06・平顶山学院学报 2006年。
富勒烯 钙钛矿太阳能电池综述
富勒烯钙钛矿太阳能电池综述富勒烯与钙钛矿，这俩名字听起来挺高大上，其实它们正悄悄改变着咱们的太阳能电池界。
一、富勒烯：太阳能界的“超级明星”1.1 独特的结构，非凡的性能富勒烯，听起来像个外国名儿，其实它是一种由碳原子组成的神奇分子，结构就像个足球，由许多六边形和五边形拼接而成。
这种独特的结构让它拥有了非凡的性能，比如在光电转换方面，那可是杠杠的！它能像个小精灵一样，高效地捕捉阳光，把光能变成电能，让咱们的生活更加绿色、环保。
1.2 助力太阳能电池，效率飙升有了富勒烯的加入，太阳能电池的效率那可是嗖嗖往上涨。
它就像个“加速器”，让太阳能电池在同样的阳光下，能产生更多的电能。
这样一来，咱们就能用上更便宜、更环保的电啦！二、钙钛矿：太阳能电池的新宠儿2.1 新材料，新希望钙钛矿，这又是一个听起来挺陌生的名字，但它在太阳能电池界那可是炙手可热的新星。
它是一种由钙、钛和其他元素组成的化合物，结构稳定，性能优越。
用它来做的太阳能电池，效率那也是杠杠的！2.2 低成本，高效率钙钛矿太阳能电池最大的优点就是成本低、效率高。
相比传统的太阳能电池，它就像个“性价比之王”，能让咱们用上更便宜的太阳能电。
而且，它的生产过程还更环保，减少了对环境的污染，真是一举两得！2.3 潜力无限，未来可期钙钛矿太阳能电池的发展潜力那可是无穷的。
科学家们正不断地研究它，希望能让它变得更好、更强。
说不定哪天，它就能成为咱们生活中不可或缺的一部分，让咱们的生活更加美好！三、富勒烯与钙钛矿：携手共创太阳能电池新篇章3.1 强强联合，效果翻倍富勒烯和钙钛矿，这两个本来不相干的“明星”，现在却携手共创太阳能电池的新篇章。
它们强强联合，让太阳能电池的效率更上一层楼。
就像咱们常说的“1+1>2”，它们在一起，那效果可是杠杠的！3.2 推动科技进步，造福人类富勒烯和钙钛矿太阳能电池的发展，不仅推动了科技的进步，更造福了人类。
它们让咱们能用上更便宜、更环保的电，减少了对环境的污染，让咱们的生活更加绿色、健康。
太阳能电池技术综述
太阳能电池技术综述太阳能电池是一种利用光能转化为电能的设备。
它是一种先进的新能源技术，其潜力越来越被人们所重视。
大量的研究表明，太阳能电池在环保、可再生和节能方面表现出了显著的优势。
太阳能电池主要由太阳能电池片和组件两部分组成。
太阳能电池片的结构类似于普通的半导体二极管，由两种材料组成，一种是n型半导体，另一种是p型半导体，它们构成了一个pn结，其中n型半导体中掺入了少量的受光激发的杂质，使其成为光生电池。
当光照射到太阳能电池片上时，电子和空穴被激发进入半导体，形成电流和电势差，产生直流电流。
太阳能电池的发展历史可追溯到19世纪。
最初的太阳能电池是1850年由法国科学家埃德蒙·贝克勒尔发明的，它是通过将两块金属片浸泡在电解质中，形成一个电化学单元，以产生电流的方法实现的。
1960年代，太阳能电池的发展进入了高峰期。
此时，太阳能电池被广泛应用于航空、航天、卫星通信等领域的能源供应。
现代太阳能电池基本上都是基于硅材料的。
目前，太阳能电池已经广泛应用于住宅、商业和工业领域。
国内外很多公司都继续研制太阳能电池，以实现更高的转换效率、更低的成本和更长的使用寿命。
以下是一些主要的太阳能电池技术：1.单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池是由单晶硅片制成的，具有高效率和长寿命等优点。
其转换效率可以达到20%左右。
这种太阳能电池适用于家庭和商业太阳能发电。
2.多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池是由多晶硅片制成的，相对于单晶硅太阳能电池具有较低的转换效率，但制造成本更低。
目前，大量的太阳能组件和光伏系统都采用这种技术。
3.薄膜太阳能电池薄膜太阳能电池是指由不同的材料制成的，比如铜铟镓硒和有机材料。
这种技术的转换效率非常低，通常为10%以下。
但它具有更低的制造成本和更好的柔性，可以应用于行动电源和户外光伏系统中。
4.有机太阳能电池有机太阳能电池是由一种特殊的有机材料制成的。
这种太阳能电池较薄而灵活，便于移动和安装。
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。
5
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。
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。
聚合物太阳能电池的原理及应用前景
聚合物太阳能电池的原理及应用前景随着化石能源的枯竭和环境问题的日益突出，人们开始转向可再生能源的开发和利用。
太阳能作为最常见的可再生能源之一，其占有量巨大，贡献可观。
因此，太阳能电池已经成为人们日常生活和生产中必不可少的能源设备。
而聚合物太阳能电池，是目前市场上最受关注的太阳能电池之一，其具有的高效性与可降低制造成本的特点，让它备受欢迎。
一、聚合物太阳能电池的原理聚合物太阳能电池是利用了一种称为“共轭聚合物”的半导体材料制作而成。
此类材料能够将太阳光能转化为电能。
在当今市场上，聚合物太阳能电池主要有三种类型，包括全聚合物太阳能电池、聚合物/无机太阳能电池和混合太阳能电池。
全聚合物太阳能电池的制造过程非常单一，只需要将电子给体和受体充分混合即可。
此时在材料中会形成复合物，进而形成了完整的光电转换器件。
聚合物/无机太阳能电池结构比全聚合物太阳能电池更为复杂，包括一个或多个界面且需要控制聚合物与无机材料之间的微观结构。
混合太阳能电池是目前研究得最为深入的一种。
其将电子给体与无机电子受体直接组合在一起，利用两者间的互补作用来提高太阳能电池的性能。
二、聚合物太阳能电池的应用前景聚合物太阳能电池具有很高的应用价值和广阔的应用前景。
首先，相比于传统的硅基太阳能电池，聚合物太阳能电池成本更低，生命周期更长，可重复使用。
另外，聚合物太阳能电池的较低制造温度和灵活性使其可以被制成非常薄的材料，适用于多种不同的应用领域，如便携式电子设备、智能家居、太阳光伏农业、建筑物外墙、建筑顶部和汽车车身等。
其次，聚合物太阳能电池在能量转换效率方面也取得了重大进展。
目前，聚合物太阳能电池的效率已经高达16%以上，而且还有望进一步提升。
这使得聚合物太阳能电池对于光伏发电领域的应用来说具有更大的竞争优势。
研究和开发聚合物太阳能电池对于科学发展和经济建设都是极其重要的。
未来，聚合物太阳能电池有望为我们带来更加绿色的能源，减少污染和环境破坏，保护地球的生态环境。
nature 光伏电池背景综述
一、光伏电池的背景随着人类社会的不断发展，能源问题愈发凸显。
传统的化石能源逐渐枯竭，在燃煤、石油等能源资源的消耗下，环境污染日益严重，气候变化问题也成为国际社会的热点。
寻找清洁、可再生的能源成为了全球的共同课题。
在众多的可再生能源中，光伏能源因其无污染、取之不尽的特点受到了广泛关注。
二、光伏电池的发展历程1. 传统光伏电池的发展20世纪50年代，美国贝尔实验室的科学家斯皮诺扎（Daryl Chapin）、珀尔（Calvin Fuller）和柯文（Gerald Pearson）研制成功了世界上第一块太阳能电池。
1954年在纽约举办的全美电气研究会上，他们展示了一块效率达到6的太阳能电池。
早期的光伏电池还存在着效率低、成本高、可靠性差等缺点。
2. 新型光伏电池的诞生20世纪80年代中期以来，随着太阳能市场的快速发展和技术水平的提高，光伏电池技术也得到了迅速发展。
砷化镓太阳能电池（GaAs电池）、硒化铜铟镓硫(TCIGS)太阳能电池、非晶硅太阳能电池、多结构太阳能电池等新型光伏电池相继诞生，各类新型光伏电池以其高效率、光伏电池我国背景综述环保和成本低廉等特点受到了广泛关注。
三、光伏电池的种类1. 结晶硅太阳能电池结晶硅太阳能电池是目前市场上应用最为广泛的太阳能电池，其占据着市场份额的80以上。
其制造工艺相对成熟，生产规模化，因此成本较低。
但也存在着材料短缺、能效低以及外观较为单一等问题。
2. 薄膜太阳能电池薄膜太阳能电池具有重量轻、材料节省、工艺简单等优点，是光伏电池领域的新生力量。
该类太阳能电池主要包括非晶硅太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池、柔性CIGS(S/D/MO)电池等。
然而，其稳定性和寿命仍然是目前制约其发展的主要因素。
3. 多结构太阳能电池多结构太阳能电池是一种新型太阳能电池，其由多层结构组成，可利用多种波段的太阳光。
在提高太阳能电池转换效率的还可以减少光伏系统的投资成本。
多结构太阳能电池备受研究者的关注。
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北京化工大学令狐采学研究生课程论文论文题目：聚合物太阳能电池研究进展学院名称：＿化学工程学院课程名称：科学研究方法任课教师：＿＿＿＿刘研萍＿＿＿学号：＿ 2015200383＿＿姓名：＿＿＿＿刘俊文＿＿专业：＿＿＿材料科学与工程＿＿日期: 2016 年 1 月 15 日聚合物太阳能电池研究进展摘要：聚合物太阳能电池作为一个新的研究领域，为能源危机带来了新的希望。
本文综述了聚合物太阳能电池的工作原理和结构以及常见的太阳能电池材料，着重介绍了近年来太阳能电池新材料的发展状况，并对聚合物太阳能电池的为来发展趋势做出展望。
关键词：聚合物太阳能电池，给体材料，受体材料太阳能是一种易于获取、安全、洁净无污染、取之不尽用之不竭的新能源，为人们解决能源危机提供了一种新的思路。
聚合物太阳能电池相对于硅基太阳能电池，具有柔性、可溶液加工、成本低廉、轻薄、材料的分子结构的可设计性等优势。
但是，与硅基太阳能电池相比，聚合物太阳能电池的光电转换效率仍相对低，制约了其大规模应用。
因此，研究新型聚合物太阳能电池材料成为国内外的研究热点。
在过去的几十年中，太阳能电池得到了迅猛的发展。
上个世纪五十年代贝尔实验室首次成功研究出了光电转换效率为6 %的硅太阳能电池[]。
经过半个世纪的发展，太阳能电池的光电转换效率如今已达到39%，并且占具了70 %左右的太阳能电池的市场，特别是在航空、航天等高技术领域更是独领风骚。
但是由于其制作工艺复杂、制作成本高，要制备大面积的无机太阳能电池却面临种种困难。
于是，聚合物太阳能电池的研究逐渐受到人们的关注。
科学家们在20世纪70年代起开始探索将一些具有共轭结构的有机化合物应用到太阳能电池，由于聚合物太阳能电池具有制备工艺简单、低成本、质量轻、可弯曲和面积大等优点,进而受到各界的广泛关注，但是目前聚合物太阳能电池光电转换效率较低，文献报道中大约多为10.5%左右[]。
因此，研究合成新型高效聚合物太阳能电池迫在眉睫。
1聚合物太阳能电池的基本知识1．1聚合物太阳能电池的工作原理：聚合物太阳能电池的工作原理如图1.1以及图1.2所示：图1.1基于给体/受体方式的聚合物太阳能电池的光伏效应示意图当具有合适能量的光子通过ITO 玻璃照射到光敏活性层上时, 光敏活性层上的给体或受体材料吸收光子产生激子, 然后激子扩散到给体/受体界面并且在那里发生电荷分离, 进而在给体上产生空穴和在受体上产生电子，然后空穴沿给体传递到阳极并被阳极收集, 电子沿受体传递到阴极并被阴极收集, 最终产生光电流和光电压。
给体和受体材料的吸光性能、给体的空穴迁移率,受体的电子迁移率,以及其最高占有轨道( HOMO ) 和最低空轨道( LUMO )能级的位置对有机光伏器件的性能有着很重要的影响。
对于电子能级而言, 给体材料应该具有比较高的LUMO和HOMO 能级, 而受体材料却应该具有较低的 LUMO 和 HOMO 能级, 这样才能保证在给体/受体界面上、给体中激子在LUMO能级上的电子可以自发地传递到受体的LUMO能级上, 受体中激子在HOMO能级上的空穴可以自发地传递到给体的HOMO能级上, 从而实现电荷的分离。
简而言之，聚合物太阳能电池的光电转换可以简化为以下4个过程：图1.2聚合物太阳能电池的工作机理（1）给体受到光激发产生激子，（2）激子扩散到 D/A 界面（3）激子在 D/A 界面分离形成一个电子-空穴对（4）自由载流子在外部电极运输和收集。
1.2聚合物太阳能电池的结构：如图1.2所示：本体异质结型聚合物太阳能电池器件的组成：下层是ITO玻璃作为正极，上层是Ca/Al等金属电极作为负极，中间是由共轭聚合物给体材料和富勒烯衍生物（PCBM）受体材料的共混膜作为光活性层。
其中，共轭聚合物的结构对聚合物太阳能电池的效率有着关键的影响。
图1.3本体异质结聚合物太阳能电池结构(放大图为活性层双连续相的形貌)1.3聚合物太阳能电池的性能参数：聚合物太阳能电池的等效电路图以及电流-电压特性曲线如图1.4和1.5所示：图1.4有机聚合物太阳能光电池的等效电路图图1.5电流—电压特性曲线对于有机聚合物太阳能电池，主要评价参数有以下几点：（1）开路电压（Voc）：是指聚合物太阳能电池在开路情况下，电流为零时的端电压,同时也是太阳能电池产生的最大电压,通常单位为V。
聚合物太阳能电池的开路电压与光照强度、温度以及受体材料有关,主要取决于给体的HOMO能和受体的LUMO能之间的能级差：（2）短路电流（Jsc）：短路电流是在电压和电阻都为零时通过的电流，即器件在没有外电场偏置情况下的电流，是在太阳能电池最大的输出电流，单位为mA.cm-2。
短路电流的大小的影响因素主要有：活性层对太阳光的吸收、电荷分离的量子效率、载流子在材料中的传输以及传输过程中的损耗等。
（3）填充因子（FF）：定义为聚合物太阳能电池的最大功率与开路电压和短路电流的乘积之比，它说明了聚合物太阳能电池能够对外提供的最大输出功率的能力，其定义式为公式中，Vmax是指最大输出电压；Imax是指最大输出电流；Pmax是指最大输出功率。
从伏安特性曲线(图1-5)我们可以看出,FF就是图中两个矩形的面积之比，无量纲，并且理想的太阳能电池的FF为1。
填充因子大小的影响因素主要有：复合膜和电极间的接触电阻、复合膜中载流子迁移率，复合膜的厚度以及器件中的缺陷等！（4）能量转换效率（PCE）：在聚合物太阳能电池中，能量转换效率（PCE）是其最重要的参数之一，它定义为最大输出功率与入射的光照强度 Pin之比，即：由上式可知，聚合物太阳能电池的能量转换效率与开路电压、短路电流、填充因子以及光照强度密切相关。
（5）外量子效率（IPCE）：外量子效率是外电路中产生的电子数与总的入射光子数的比值。
其定义式为：式中，Pin为入射光功率，λ为入射单色光的波长。
从以上所述的公式可以发现，开路电压、短路电流、填充因子等因素是影响聚合物太阳能电池的能量转化效率的关键因素。
提高太阳能电池伏安特性的方法有提高开路电压、短路电流和填充因子，并且使之趋向于理想聚合物太阳能电池的伏安特性。
短路电流与所吸收光的强度（单位面积和单位时间内吸收的光子数）成正比，表面上看貌似提高有机物的厚度就能大大提高对光的吸收强度，但是激子的扩散距离或者是载流子的复合长度必须大于有机物的厚度，这是因为半导性聚合物材料的激子和电荷载流子的迁移率相对较低[??]。
这一瓶颈使得器件的最大优化厚度为 100-200nm，该厚度与光吸收深度相当（100nm）[??]。
另外，聚合物太阳能电池的光谱响应并不能对太阳能光谱所涉及范围作出很好的回应，其光谱的响应的范围较窄，只有最大吸收峰位置的波长，才能产生较为强烈的响应，其他吸收峰的波长的响应较弱，所以普通白光下的能量转化效率与吸收峰处的单色光的能量转化效率相比较，会弱很多。
此外，制备器件之后，又使得在光能转换电能这一传输道路上多了很多环节，每个环节都有不同程度的光电转换损耗。
这一系列的环节都会造成光电效率的降低。
2聚合物太阳能电池材料：给体材料和受体材料2.1给体材料的主要类型：1聚噻吩（PTH）及其衍生物因为聚噻吩具有合适的带隙和较高的空穴迁移率，这使得,聚噻吩及其衍生物成为目前聚合物太阳能电池领域最为重要、最为成功的一类共轭聚合物给体材料。
由于无取代的聚噻吩不具备加工性能，是一种不溶不熔的固体，所以我们一般通过在噻吩的侧链上引入烷基链对其进行加工，这使得其性能得到明显改善。
常见的P3AT 有聚( 3-己基噻吩)、聚( 3-辛基噻吩)、聚3-十二烷基噻吩、聚( 3-十二烷基噻吩亚乙烯) 等。
其中P3HT是应用最为广泛的一类聚合物光伏材料,它具有良好的溶解性、加工性、稳定性并且规整的P3HT还表现出良好的自组装性能和结晶性能而被广泛研究[??]。
以聚( 3- 己基 )噻吩 ( P3HT ) 和C60衍生物PCBM的共混膜做为活性层的太阳能电池在热处理的情况下的能量转换效率最高，最高PCE已经达到5%左右[??]。
由于聚噻吩的性能十分容易受支链取代基的影响，所以可以通过添加不同的支链取代基来调节聚噻吩类材料的能隙宽度以及电子能级位置。
中科院李永舫课题组设计和合成了一系列带共轭支链的共轭聚噻吩，他们通过调节共轭支链的长度以及聚噻吩主链上带共轭支链噻吩单元的比例，由此得到了在可见区具有宽吸收和强吸收系数的聚噻吩衍生物[??]。
图1.6以 phenylene-vinyl 为共轭支链的聚噻吩及其溶液，膜吸收光谱他们合成了一种带二噻吩乙烯支链的聚噻吩（如图1-7所示）显示一个380~ 650 nm的宽而强的吸收峰, 用次聚合物与C60衍生物PCBM共混(重量比1：1)，制备的聚合物太阳能电池在模拟太阳光( AM 1：5, 100 mW /cm2 )的情况下的最高能量转化效率达到3.18%，比当前广泛使用的聚( 3- 己基噻吩) ( P3HT )在同样实验条件下的能量转换效率提高3.8%[??]。
并且，他们研究组最近设计和合成了一种带共轭桥连的交联型聚噻吩衍生物（如图1-8所示）,在高迁移率共轭聚合物材料方面也取得了很大进展, 含5% 共轭桥的聚合物的空穴迁移率比不含共轭桥时提高了两个数量级, 其光伏性能也有明显提高[??]。
近日，马伟等人[]以噻吩和苯并噻二唑交替共聚，合成了基于非对称烷基链的三联噻吩基D-A聚合物，使用反向器件ITO/ZnO/polymer:PC71BM/V2O5/Al，最终得到聚合物基于PffBT-T3(1,2)-2 的器件表现出PCE = 10.5%(10.7% max)，VOC = 0.82 V, JSC = 18.7 mA cm−2, 以及FF = 68.3%.图1.7以 thienylene-vinyl 为共轭支链的聚噻吩乙烯图1,8共轭桥连的交联型聚噻吩衍生物2聚对苯撑乙烯（PPV）及其衍生物聚对苯撑乙烯( PPV )由于具有价廉、质轻、低毒、良好的成膜性能、高的光电效率和光吸收系数 ( 500nm )，成为近年来在光电领域应用最广泛、制得器件效率最高的材料之一，在光伏材料等领域有很好的应用前景，自从1990年卡文迪许实验室成功合成出PPV 以来, 其在电致发光领域的研究迅速发展起来[]。
PPV 最先是作为发光二极管引起人们关注的, 渐渐地其在聚合物太阳能电池中的应用被慢慢的开发出来。
由于纯的PPV是不可溶的, 这就需要对 PPV 分子结构进行各种修饰和改性来增加其溶解性。
通常是通过在PPV的对位上引入烷氧基,这样不仅可以很好地解决其溶解性问题，而且同时还可以降低聚合物的带隙。
T ajima 等[]合成了有序的MDMO-PPV（如图1-9所示）,其能量转换效率为 3.1 %,这是目前P PV 衍生物中能量转化效率最高的聚合物。