有机太阳能电池.ppt

有机太阳能电池 小组人员 董红光 冯增威 郭亚东 黄锋 任明明 雍华 张一恒 张喜雯 有机太阳能电池简介有机太阳能电池工作原理有机太阳能电池的优势与不足有机太阳能电池的发展现状有机太阳能电池的发展前景总结 有机太阳能电池简介 太阳能的分类 按材料分类1 硅太阳能2 无机化合物半导体太阳能 硫化镉 硫化亚铜 砷化镓等 3 敏化纳米晶太阳能 染料敏化太阳能 4 有机化合物太阳能以酞菁等等为集体材料制成的太阳能 小分子有机物太阳能 5 塑料太阳能 高分子多聚物太阳能 定义 有机太阳能电池 就是由有机材料构成核心部分 基于有机半导体的光生伏特效应 通过有机材料吸收光子从而实现光电转换的太阳能电池 广泛的讲有机太阳能电池主要是利用有机小分子或有机高聚物来直接或间接将太阳能转变为电能的器件 发展简史 有机太阳能电池是一种正在进行研究的新型电池 有机太阳能电池这个概念貌似很新 但其实它的历史也不短 跟硅基太阳能电池的历史差不多 1958 第一个有机光电转化器件由Kearns和Calvin制备成功 其主要材料为镁酞菁 MgPc 夹在两个功函数不同的电极之间 在那个器件上 他们观测到了200mV的开路电压 1986 华人邓青云博士 改进了器件核心结构 由四羧基苝的一种衍生物 PV 和铜酞菁 CuPc 组成的双层膜 他制备的太阳能电池 光电转化效率达到1 左右 1992年 土耳其人Sariciftci发现 激发态的电子能极快地从有机半导体分子注入到C60分子而反向的过程却要慢得多1993年 Sariciftci在此发现的基础上制成PPV C60双层膜异质结太阳能电池 2000年 5 R Forrest研究小组通过在有机小分子制备的双层结构太阳能电池器件的有机层和金属阴极之间插入BCP Bathocuproine 薄膜层 使得器件的光电转换效率提高到了2 4 并且改善了器件的伏安特性曲线 提高了器件的稳定性 2005年 A J Heeger等人采用在制备电极后再对器件进行热退火处理的方法有效地提高了电池的能量转换效率 使其光电转换效率达到了5 有机太阳能电池工作原理 有机太阳能电池中的基本物理过程图 光的吸收和激子的产生 光被有机材料吸收后激发有机分子从而产生激子 激子的扩散和解离 通常激子可以被电场 杂质和适当的界面所解离 载流子的收集 由于有机太阳能电池器件的厚度很薄 两个电极的功函数差值建立起来的电场较强 可以较为有效地分离自由载流子 形成回路 有机太阳能电池中的基本物理过程 四种结构的有机太阳能电池工作原理 肖特基型双层结构体异质结型叠层结构 肖特基型有机太阳能电池 首例有机太阳能电池器件结构 基本的物理过程为 有机半导体内的电子在太阳光照射下被从HOMO能级激发到LUMO能级 产生电子一空穴对 电子被低功函数的电极提取 空穴则被来自高功函数电极的电子填充 从而形成光电流 光激发形成的激子 只有在肖特基结的扩散层内 依靠节区的电场作用才能得到分离 而其它位置上形成的激子 必须先移动到扩散层内才可能形成对光电流的贡献 但是有机分子材料内激子的迁移距离相当有限的 通常小于10nm 所以大多数激子在分离成电子和空穴之前就复合掉了 导致了其光电转换效率较低 双层结构有机太阳能电池 基本物理过程为 光照射到作为给体的有机半导体材料上 产生激子 然后激子在给体和受体的界面解离 接着电子注入到作为受体的有机半导体材料中 空穴和电子得到分离 在这种体系中 电子给体为p型 电子受体则为n型 从而空穴和电子分别传输到两个电极上 形成光电流 与前述 肖特基型 电池相比 此种结构的特点在于引入了电荷分离的机制 使得在有机材料中产生的激子 可以较容易地在两种材料的界面处解离以实现电荷分离 极大的提高了激子解离的效率 从而获得电池器件效率的增大 体异质结型有机太阳能电池 基本物理过程为 利用共扼聚合物C60体系的光诱导电子转移理论 将共扼聚合物MEH一PPv和富勒烯 C00 的衍生物PCBM按一定的比例掺杂制成体异质结结构 由于两种材料互相掺杂 掺杂尺寸在几个至几十纳米之间 这样 在掺杂层内任何一处形成的激子都可以在其扩散长度之内到达界面处分离形成电荷 因而可以获得极高的激子分离效率 叠层结构太阳能电池 基本物理过程为 单个太阳能电池对于太阳光的吸收总是有一定范围的 因为不论是哪一种太阳能电池材料 由于其禁带宽度的限制 使得材料都不可能在很宽的光谱范围内有良好的光谱响应 这种结构将两个或三个不同带隙宽度的单结电池串联起来 将太阳光谱的各个波段更有效地利用 从而提高了光电转换效率 有机太阳能电池常用材料 1 分子量的大小分类 2 简单的介绍常用的有机材料的结构及光电特性 有机小分子材料 有机聚合物材料 小分子材料 是一些含共轭体系的染料分子 它们能够很好地吸收可见光从而表现出较好的光电转换特性 具有化合物结构可设计性 材质较轻 生产成本低 加工性能好 便于制备大面积太阳能电池等优点 但由于有机小分子材料一般溶解性较差 因而在有机太阳能电池中一般采用蒸镀的方法来制备小分子薄膜层 有机太阳能电池器件中常用的小分子材料主要有酞著 叶琳 并五苯和富勒烯等 聚合物材料 太阳能电池上应用的聚合物首先必须是导电高分子 并且聚合物的微观结构和宏观结构都对聚合物材料的光电特性有较大影响 导电性聚合物的分子结构特征是含有大的 电子共扼体系 而聚合物材料的分子量影响着共扼体系的程度 材料的凝聚状态 非晶和结晶 结晶度 晶面取向和结晶形态都会对器件光电流的大小有影响 主要的聚合物材料有聚对苯乙烯 PPv 聚苯胺 队Nl 和聚唆吩 PTh 以及它们的衍生物等 电极材料 为了提高太阳能电池器件中电子和空穴的输出效率 要求选用功函数尽可能低的材料作为阴极和功函数尽可能高的材料作为阳极 电极材料的选取对于确定电极与有机材料之间是否形成欧姆接触或整流接触有较大影响 有机太阳能电池的优势与不足 有机太阳能电池作为一种新型的电池 以其独有的特点 不断的吸引着更多的人投入到这个领域的研究和开发中来 其发展速度之快也得益于其独有的优点和特性 有机材料合成成本低 功能易于调制 柔韧性及成膜性都较好 加工过程相对简单 可低温操作 器件制作成本也较低 可实现大面积制造 可使用柔性衬底 环境友好 轻便易携等 优势 有机薄膜太阳能电池模块 利用有机薄膜太阳能电池模块试制的皮包 因为有机太阳能电池有以上的优点和特性 因而有望在手表 便携式计算器 半透光式充电器 玩具 柔性可卷曲系统等体系中发挥供电作用 有机太阳能电池技术可为小型移动设备 例如MP3播放器 供电 当然目前来看有机太阳能器件仍有不少缺点 材料迁移率低 高体电阻 从而导致能量转换率低 材料的稳定性和耐久性不够好 电池寿命短 当然从目前世界上有机太阳能研究的状况来看虽然存在这些缺点 但是相对于制造无机电池的高昂代价来讲 有机太阳能的研究仍旧有很强大的生命力 不足 有机太阳能电池的发展现状 无机 这种无机原料太阳能电池造价昂贵 因而与其他一些能源发电比起来缺乏竞争力 有机 未来太阳能电池的主流发展方向强调的是更轻便 更灵活 最重要的是 更便宜因而目前有机太阳能的现状是 研究机构纷纷投身研究有机太阳能 企业也纷纷涉足有机太阳能 2007 Science AlanJ Heeger等 使有机薄膜太阳能电池的单元转换效率达到了全球最高 6 5 结构 级联结构关键 在两个太阳能电池单元之间夹了一层TiOxI 钛氧化物材料 p型 PEDOT PSS n型 PCBM与PCPDTBT的混合材料 750 800nm PC70BM与P3HT的混合材料 500nm 大阪大学 2008年3月27 30日 成功开发出了单元转换效率高达5 3 的有机固体太阳能电池 关键 纯度极高的C60 7个九 结晶实现的 仅通过这两点便将单元效率由原来的2 5 提高到了5 3 的全球最高水平 结构 ITO 透明电极 H2Pc i层 C60 NTCDA Ag 电极 BulkHetero结构 2009 NaturePhotonics 韩国光州科学技术学院 GIST 宣布 将单结有机薄膜太阳能电池的单元转换效率提高到了6 1 2007级联6 5 结构 单结 BulkHetero结构P型 PCDTBTn型 PC70BM特点 开放电压较大 425 575nm时 内部量子效率高达90 德国HeliatekGmbH宣布 其有机薄膜太阳能电池的转换效率达到了6 07 结构 低分子材料的串联结构 目标 今后几年内使转换效率达到10 该公司将在2009年9月21 25日于德国汉堡举办的太阳能电池技术国际会议 2009年12月2日solarmer宣布 有机太阳能电池转换率已经达到7 9 为世界最高 该公司10月份已经达到7 6 之前其在 naturephotonics 2009年10月的一篇文章上提到的效率为6 77 有机太阳能电池的发展前景 当大多数新型太阳能电池还处在实验阶段 其能效却已被不断夸大的时候 有机材料太阳能电池能够降低发电成本的潜能已经被实实在在地发掘并开始为人们所用 因为这些有机材料的半导体可以被大量生产并灵活运用于各个领域 如今 世界各地的科学家和工程师们都在努力发展这一技术以更早达到商业化的目标 技术前景 1 提高能量转化率现今有机太阳能的转化率太低 只能驱动耗电极少的用电器工作 随着科学技术的发展 科学家必将研制出转化率更高的电池 届时 手机 MP3等常用工具将摆脱充电麻烦的问题 使人们的生活更加富有机动性 提高能量转化率可以在以下几方面进行改进 优化表面结构 将电池表面反射的光重新聚集进入电池 使用反射镀膜复活光子和制造多结多禁带结构电池捕获宽波长的光子从而获得合理的光子吸收率 使用低电阻率和小覆盖面的金属作为前电极以获得最大填充因子和较大光电流 制造由纳米级材料组成的光电池 纳米材料是由超细微粒组成的 其边界区的体积大约是材料总体积的50 这样的结构可能会带来神奇性能 2 便携 可折叠与Si基太阳能电池相比 有机太阳能电池的一大特点就是质量轻 柔软而可折叠 众所周知 太阳能电池产生的功率与其受垂直光照的面积成正比 如果将有机太阳能电池设计成轻薄柔软的材料 做成类似阳伞的形状 既减小了体积 方便了携带 又可在有阳光的时候随时充电 实用性很强 3 仿生学应用自然界有很多能够高效转化太阳能的酶 以光合作用的第一步光反应为例 通过原初反应使光系统的反应中心发生电荷分离 产生的高能电子推动着光合膜上的电子传递 这种方法的光能转化率可以达到42 之多 随着新型仿生技术的发展 达到 甚至超越这个数值是很可能的 4 两种模型猜想 层状模型采用透光性能较好的材料作为极板材料 采取多层叠加的方式 每一层使用不同的光敏材料以吸收不同波长的光 从而达到尽可能多的吸收太阳光辐射的目的 这样做优点有二 a 有针对性的吸收特定长度的光更加便于控制 与传统的广谱吸光相比转化率更高 b 光线可以在层间发生反射 有效地降低了光能向外界的耗散 针状模型 将有机太阳能电池做成柔软的针状 并相对紧密的排列 增加其比表面积 光线照射在上面时 通过在针间的无数次反射减少光能向外界的耗散 由于硅基太阳能电池多为刚性材料 质地脆而硬 制作上述电池有很大危险 因此选用有机太阳能电池无疑为更好的选择 应用前景 由于太阳能虽然总量很大 但受场地及成本等因素限制不可能达到很高的功率 难以满足高耗电场所的电力需求 而且太阳能受天气情况等因素影响较大 并不十分稳定 所以利用它做主要能源是不现实的 但是太阳能电池能作为重要的辅助能源 工厂 学校的等大型耗电场所则依靠水利 风力发电 核能发电等途径获得电力 这种多层次的供电体系既可以保证社会正常运转 也充分利用了清洁能源 产业化前景 尚德电力首席执行官施正荣在达沃斯宣布 到2015年 世界上半数国家的太阳能光伏发电不需要补贴也都能够同传统能源相竞争 目前 在印度 夏威夷 意大利和西班牙 太阳能光伏已经能够与化石燃料一较高下 美国提出 太阳能先导计划 意在降低太阳能光伏发电的成本 使其2015年达到商业化竞争的水平 日本也提出了在2020年达到28GW的光伏发电总量 欧洲光伏协会提出了 setfor2020 规划 规划在2020年让光伏发电做到商业化竞争 在发展低碳经济的大背景下 各国政府对光伏发电的认可度逐渐提高 国家能源局正式印发了 太阳能发电发展 十二五 规划 规划 明确了 十二五 期间我国太阳能发电产业的七大重点任务 一 有序推进太阳能电站建设 二 大力推广分布式太阳能光伏发电 三 建设新能源微网示范工程 四 创建新能源示范城市 五 完善太阳能发电技术创新体系 六 提高太阳能发电产品持续竞争力 七 建立完善太阳能发电产业体系 事实上 人们已经用上太阳能 不过其成本大约是传统电力的三倍 前者的成本是每千瓦18 22美分 而传统电力的价格仅为每千瓦5 10美分 这说明 转换率不是最重要的 低成本的获取能源才是大家的目的 随着技术的进步 例如利用 塑料 太阳能电池来取代比较昂贵的硅太阳能电池 美国能源部认为太阳能成本将在几年内降至常规电力的水平由此可以看出 太阳能电池市场前景广阔 有机太阳能电池需要解决的问题 有机太阳能电池要想实现商业化 关键问题是电池的各种性能参数尤其是总光电转换效率的提高 以下是几个关键的方面 电池的运作机理 目前机理研究没有重大的新突破 这方面是首要问题 电池的制作材料 寻找合适的电子和空穴传输材料 保证电子空穴对能够有效地分离和传导 降低电子空穴对传输过程中的复合和耗散几率是材料选择的一