有机太阳能电池原理与发展简介ppt课件.ppt

有机太阳能电池原理与发展简介 1 1发展背景2太阳能电池基本原理3有机 聚合物太阳能电池研究进展4影响有机 聚合物太阳能电池效率的因素 2 太阳能电池的工作基础是光生伏特效应 1839年被人发现 然而直到1954年人们才发明太阳能电池 从此太阳能利用技术发展迅速 1发展背景 3 贝尔实验室发明了第一块太阳能电池 其效率从1954年的6 到现在的25 以上 此类太阳能经历了单晶硅到多晶硅以及非晶硅微晶硅的发展阶段 1 1硅太阳能电池 4 单晶硅 优点 效率高 性能稳定 不足 效率达到极限生产过程耗能高 工艺繁琐 5 优点 效率高 生产过程耗能较少 目前在太阳能市场占主导地位 不足 内部结构不稳定 强光下产生疲劳效应 效率会变低 多晶硅 6 1 2化合物半导体太阳能电池 主要有砷化镓 GaAs GuInSe2 碲化镉太阳能电池等 7 优点 铜铟锡 CuInSe2 简称CIS 率高 制备成本低 性能稳定 碲化镉 CdTe 高效廉价带隙低 1 45eV 砷化镓转换效率比较高 8 化合物半导体多数带有毒性 易污染环境 Ga In等为比较稀有元素 目前化合物半导体太阳能电池只能用在一些特殊的场合 砷化镓制备成本高 缺点 9 1 3纳米晶化学太阳能电池 也叫染料敏化太阳能电池 10 液体电解质易泄露 不易大规模发电 纳米晶TiO2太阳能电池优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能 优点 缺点 11 1 4有机聚合物太阳能电池 有机太阳能电池由于其材料来源广泛 制作容易 成本低 柔性好等优势 对太阳能电池的推广具有重要意义 12 但有机太阳能电池的研究才刚刚开始 电池的效率和稳定性都太低 无法和其他太阳能电池相比 要发展实用化 还需要进一步的研究 13 2太阳能电池基本原理 太阳能电池也叫光伏电池 其发电过程主要有三个过程 第一 半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子 空穴对或偶极子 14 第二 非平衡电子和空穴从产生处向势场区运动 这种运动可以是扩散运动 也可以是漂移运动第三 非平衡电子和空穴在势场的作用下向相反的方向运动而分离 15 2 1无机硅太阳能电池原理 入射太阳光被吸收后直接产生可自由移动的电子和空穴 它们在p n结本征电势的驱动下分别被输送到阴极和阳极 然后通过外电路完成循环而做功 16 其中晶体硅作为半导体材料 人们对它研究得最多 技术最成熟 效率也最高 最高可达24 即在AM1 5下每平方米的电池板每小时产生854 24 204 96W的功率AM即airmass 大气质量 AM1 5表示光强是85 4mW cm2 17 在聚合物太阳能电池中光电响应过程是在光敏层中产生的 导电聚合物吸收光子以后并不直接产生可自由移动的电子和空穴 而产生具有正负偶极的激子 exciton 它们会以束缚的形式存在 2 2有机 聚合物太阳能电池原理 18 通常这些电子 空穴是在光子激发时形成的 如果在电场或在界面处 这些电子 空穴对就会分离成电子和空穴 也就是所谓的带电载流子 它们的迁移就形成了光电流 19 目前高分子太阳电池面临的最大问题是其光电转换效率仍十分低下 通常为1 2 根据推测 有机太阳能电池的光电转换效率如能达到10 将具有巨大的市场 20 3有机 聚合物太阳能电池研究进展 有机太阳能电池材料根据电荷的传输可分为有机空穴传输材料 P型 电子给体简称为D 即Donor 和有机电子传输材料 N型 电子受体 简称为A 即Acceptor 21 D和A是有机 聚合物太阳能电池器件不可缺少的材料 基于D和A的有机太阳能电池器件设计方面出现了多种结构 单层器件 双层或多层器件 复合层器件 层压结构器件 22 3 1单层器件 只有一层同质单一极性的有机半导体材料内嵌于两个电极之间 也称为肖特基电池 23 3 2双层器件 在双层光伏器件中 给体和受体有机材料分层排列于两个电极之间 形成平面型D A界面 激子的扩散距离约为10nm 24 3 3复合层器件 D和A共溶于一个有机溶剂中 然后通过旋涂等方法制成了D相和A相互相渗透并各自形成网络状连续相的共混薄膜 也就是所谓的体相异质结体相异质结 25 3 4层压结构器件 层压结构的聚合物给体受体光伏器件被认为是双层器件与复合体器件的中间态 26 3 5D A二元体系 将具有电子给体性质的单元以共价键方式连接到受体聚合物或者小分子上 形成分子D A结材料 27 4影响有机 聚合物太阳能电池效率的因素 目前聚合物太阳能电池的效率还很低 如何提高它的转换效率是能否商业化和与传统无机光伏电池竞争的关键 当前限制聚合物电池转换效率的主要因素如下 28 4 1光敏层的禁带宽度 不同的太阳能电池材料有不同的禁带宽度 只有禁带宽度足够小才能 这种材料才能吸收光子并产生空穴电子对 太阳光谱的能量则主要集中在波长为700nm左右 约1 8eV 的近红外区 所以说做太阳能电池的光敏材料的禁带宽度越低越好 29 寻找光谱响应与太阳光相匹配的有机光敏材料就成为目前研究的一个热点和解决聚合物电池转化效率低的一个突破口 30 4 3激子的解离 光激发有机 聚合物太阳能电池材料产生偶激子后 需要分离才能向电极迁移 31 为了形成具有电荷分离作用的异质结 材料体系的选择非常重要 32 4 2光敏层的载流子迁移率