聚合物太阳能电池研究进展

北京化工大学

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[1]。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[2]。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：

Pin FF I Voc Pin Vm Pin P PCE *sc *Im*max ===

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：

in sc

1240P J IPCE ⋅⨯=λ

式中，P in 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[3]

。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 ）[4]。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。