太阳能电池开题报告

1、论文开题报告 及论文工作计划 课题名称 共轭聚合物/无机半导体纳晶杂化太阳能电池 姓 名 xxx 学 号 xxxxxxxxxx 院系、所 xxxxxxxxx 专 业 xxxxxxxxxxxxxx 指导教师 xxxxxxxxxxxx xxxxxx 选题时间 xxxxx 2010年 9 月 16 日 1 1、论文选题的立论依据 材料是现代社会的物质基础当代高科技领域对材料的光、电、磁等性能提出了更高的要求单一材料往往难以满足要求有时需要通过复合来增强材料的性能或者通过复合来产生新的功能1-2。在各种复合材料中有机/无机复合材料尤其引人注目因为这些材料可以结合有机材料的多样性、柔韧性、易加工性和无机

2、材料的高稳定性、结构规整性等优点使复合材料表现出突出的性能。因此开展有机/无机复合材料的研究、开发这类复合材料的新的功能将具有非常重要的意义。 无机半导体纳晶因其特殊的尺寸效应而表现出与本体材料迥异的光电物理化学性能。利用半导体纳晶的尺寸、量子限域效应可以调制其吸收与发射性能从而改变其吸收光谱、荧光效率与荧光波长显示出其在光伏能量转换2-4、电致光致发光5-6和荧光检测7-8等领域的广阔应用前景。因此半导体纳晶近年来成为国内外研究热点。 有机半导体共轭聚合物材料自1990年发现其电致发光性能9以来一直受到广泛重视共轭聚合物材料不仅可以用于制备pled还可以用于生物检测、聚合物晶体管和聚合物光伏

3、打电池等。有机共轭聚合物材料的优点是加工方便、具有柔韧性、性能可通过功能团取代或共聚进行调节等。聚合物光伏打电池因其制备过程简单、成本低廉、可制成柔性器件等优点近年来受到广泛重视10。但其能量转换效率目前还比较低最高才达到7.7主要原因是共轭聚合物的吸收效率低吸收光谱范围较窄及低的光密度造成的、载流子迁移率低一般仅10-5cm/vs以及载流子收集效率较低。无机半导体在这些方面则具有明显的优势。向聚合物基体添加半导体纳晶可以提高光吸收效率和载流子迁移率尤以添加取向排列的纳米棒效果最好4。在已报道的聚噻吩衍生物/cdse纳晶复合型光伏电池中4光照后聚合物和半导体纳晶都能吸收光子聚合物激发态的电子通

4、过聚合物/纳晶界面传递给cdse纳晶而cdse纳晶激发态的空穴通过界面传递给聚合物从而实现电荷的分离。然后电子沿cdse纳晶传递到负极。空穴沿聚合物链传递到正极达到光电转换的目的。这种结构的光伏打电池模拟太阳光am1.5g下的能量转换效率达到1.7。sun等11使用分叉型四臂棒cdse纳米棒与共轭聚合物复合制备的光伏打电池能量转换效率又有进一步提高。 半导体纳晶的合成是一项具有挑战性的工作经过近10-20年的研究国内外学者应用不同方法已成功制备出多种半导体纳晶材料尤以ii-vi族金属硫属 2 化合物研究得最多也最为成熟13-17国内中国科大的钱逸泰院士领导的研究组和清华大学李亚栋教授在这方面也

5、都作出了国际上有影响的工作1819。但就其在光电子薄膜器件中的应用来说水相体系合成的方法显然不太适用而已经发展的有机体系的合成方法大多数或是合成条件苛刻例如反应前驱体之一是剧毒的、易挥发、空气敏感、易爆炸的金属烷基化合物1314或合成产物之一需要剧毒的cse2、cs215或是成本高昂采用烷基磷酸作为配位溶剂16或是合成的纳晶尺寸不符合要求例如溶剂热法和氧化铝模板法合成的产品尺寸较大不易广泛应用。 在半导体纳晶/共轭聚合物太阳能电池方面尽管国外学者获得了初步的成果但总体上尚处于起步阶段。聚合物光电器件对半导体纳晶材料的尺寸纳米棒直径8nm长度60-100nm、形貌均匀性与可调控、表面与内部缺陷、

6、光稳定性等都提出了更高的要求还要求半导体纳晶在共轭聚合物中有高的分散性和相容性等等。这种太阳能电池对共轭聚合物材料也会提出新的要求这方面的研究还未见报道。另外半导体纳晶/共轭聚合物复合体系的界面结构、激发态电荷转移和分离的过程和机理等也都有待深入研究。 就共轭聚合物/半导体纳晶复合型太阳能电池而言开发出一种能制备出高质量形貌可控尺寸在量子限域范围内好的结晶性、合成条件温和的半导体纳晶材料的简便制备技术设计和合成适用于该体系的新型共轭聚合物材料研究半导体纳晶/共轭聚合物复合体系的界面结构、激发态电荷转移和分离的过程和机理制备出高性能的共轭聚合物/半导体纳晶复合型太阳能电池显然具有重大的意义。 1

7、 k. rajeshwar n. r. de tacconi c.r. chenthamarakshan chem. mater. 2001 13 2765. 2 huynh w. u peng x. g alivisatos a. p. adv.mater.199911923 3 gratzel m. nature 2001.414 338 4 huynh w.u dittmer j .j alivisatos a. p. science 2002 295 2425 5 coe s. woo w. bawendl m. bulovic v. nature 2002.420800 6hu j.

8、t. li l .s alivisatos a. p. science 2001 292 2060 7selven s. t. bullenc ashokkumar. m. adv. mater. 200113 985. 3 8marcel .b.j. moronnem alivisatos a. p. science 1998181 2013. 9 burroughes j h bradley d d c brown a r et al. nature 1990 347539. 10 ayu g. et al. science 1995 270 1789. b shaheen s. et a

9、l. appl. phys. lett. 2001 78 841. c nelson j. science 2001 293 1059 11 sun b.q. marx e. greenham n.c. nano letter 20033 96 1 12coe-sullivan s. woo w. k. steckel j.s. bawendi m. bulovic v. organic electronics 003 4 2-3 123 13 murray c.b. norris d.jbawendi m.g. j.am.chem.soc.1993115 8706. 14 peng. x.g

10、msnns.l alivisatos a. p. nature 2000 404 59. 15malik m.a. revaprasadu n brien p.o. chem.mater. 2001 13 913. 16peng z.a. peng. x.g. j.am.chem.soc.2002 124 3343 17yuw.w. wangy. a. peng. x.g. chem.mater.2003154300. 18liy.d. liao h.w. ding y. fan y. zhang y. qian y.t. inorg.chem 1999 38 1382. 19wang w.z

11、. geng y. yan p. liu f.y. xie y. qian y.t. j. am. chem. soc. 1999 121 4046. 4 2、文献综述 1太阳能电池的地位 在新能源中当前太阳能发电的成本较高大约是生物质发电沼气发电的712倍风能发电的610倍。但太阳能与其他新能源相比在资源潜力和持久使用性方面更具有优势从长远前景来看光伏发电是最具潜力的战略替代发电技术。到本世纪后期太阳能发电将在世界电能结构中占据80的位置。 2太阳能电池的分类简介 太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式以下表示为a-两大类而前者又分为单结晶形和多结晶形。按材料可分为硅薄膜形、

12、化合物半导体薄膜形和有机膜形而化合物半导体薄膜形又分为非结晶形a-si:ha-si:h:fa-sixgel-x:h等、v族gaasinp等、族cds系和磷化锌 zn3p2 等。太阳能电池根据所用材料的不同太阳能电池还可分为硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的在应用中居主导地位。 第一硅太阳能电池 硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。单晶硅太阳能电池转换效率最高技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7规模生产时的效率为15。在大规模应用和工

13、业生产中仍占据主导地位但由于单晶硅成本价格高大幅度降低其成本很困难为了节省硅材料发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较成本低廉而效率高于非晶硅薄膜电池其实验室最高转换效率为18工业规模生产的转换效率为10。因此多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻转换效率较高便于大规模生产有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应稳定性不高直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题那么非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。 第二多元化合物薄膜太阳能电池 多元化合物

14、薄膜太阳能电池材料为无机盐其主要包括砷化镓iii-v族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效 5 率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高成本较单晶硅电池低并且也易于大规模生产但由于镉有剧毒会对环境造成严重的污染因此并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。砷化镓gaasiii-v化合物电池的转换效率可达28gaas化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率抗辐照能力强对热不敏感适合于制造高效单结电池。但是gaas材料的价格不菲因而在很大程度上限制了用gaas电池的普及。铜铟硒薄膜电池简称cis适合光电转换不存在光致衰退问题转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能

15、良好和工艺简单等优点将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源由于铟和硒都是比较稀有的元素因此这类电池的发展又必然受到限制。 第三聚合物多层修饰电极型太阳能电池 以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好制作容易材料来源广泛成本底等优势从而对大规模利用太阳能提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始不论是使用寿命还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品还有待于进一步研究探索。 第四纳米晶太阳能电池 纳米tio2晶体化学能太阳能电池是新近发展的优点在于它廉价的成本和简单的工

16、艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10以上制作成本仅为硅太阳电池的1/51/10寿命能达到2o年以上。此类电池的研究和开发刚刚起步不久的将来会逐步走上市场。 第五有机太阳能电池 有机太阳能电池就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。大家对有机太阳能电池不熟悉这是情理中的事。如今量产的太阳能电池里95以上是硅基的而剩下的不到5也是由其它无机材料制成的。 3太阳能电池的需求 当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时越来越多的国家开始实行“阳光计划”开发太阳能资源寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。在国际光伏市场巨大潜力的推

17、动下各国的太阳能电池制造业争相投入巨资扩大生产以争一席之地。 6 全球太阳能电池产业1994-2004年10年里增长了17倍太阳能电池生产主要分布在日本、欧洲和美国。2006年全球太阳能电池安装规模已达1744mw较2005年成长19整个市场产值已正式突破100亿美元大关。2007年全球太阳能电池产量达到3436mw较2006年增长了56。 目前我国已成为全球主要的太阳能电池生产国。2007年全国太阳能电池产量达到1188mw同比增长293。中国已经成功超越欧洲、日本为世界太阳能电池生产第一大国。在产业布局上我国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区已经形

18、成了各具特色的太阳能产业集群。中国的太阳能电池研究比国外晚了20年尽管最近10年国家在这方面逐年加大了投入但投入仍然不够与国外差距还是很大。政府应加强政策引导和政策激励尽快解决太阳能发电上网与合理定价等问题。同时可借鉴国外的成功经验在公共设施、政府办公楼等领域强制推广使用太阳能充分发挥政府的示范作用推动国内市场尽快起步和良性发展。 4基于以上查到的资料及国内外研究现状我经过仔细分析联系工程实际情况认为 第一目前市场化的太阳能电池价格一直高主要是由于硅的成本高所致如能避免将硅引入电池则可以从新的高度来定位太阳能电池。在共轭聚合物/无机半导体纳晶杂化太阳能电池中标志性的突破是用c替换si. 第二将

19、太阳能电池?蛉嵝曰垢梢岳笫视梅段酶蟮氖谐觥?有此两点考虑我认为开发改进在共轭聚合物/无机半导体纳晶杂化太阳能电池是有充足的理论依据的也是大有前景的。 7 3、研究内容 1项目研究的目的和主要研究内容 项目研究的目的 1. 开发出一种能制备出高质量形貌可控尺寸在量子限域范围内好的结晶性的合成条件温和的半导体纳晶材料的简便制备技术 2. 设计和合成适用于该体系的新型共轭聚合物材料 3. 研究半导体纳晶/共轭聚合物复合体系的界面结构、激发态电荷转移和分离的过程和机理制备出高性能的共轭聚合物/半导体纳晶复合型太阳能电池。 主要研究内容 1. 设计尺寸可控、形状球状、棒状、多臂棒状等可控的高性能ii-v

20、i族金属硫属化合物半导体纳米粒子的化学合成方案研究各种反应条件对产物尺寸、形貌和性能的影响阐明影响的机理。 2. 对制备的纳米粒子进行结构、形貌和各种性能表征吸收光谱、荧光光谱、电化学测量等。 3. 研究半导体纳晶/共轭聚合物复合体系的界面结构特征研究界面间激发态电荷转移和能量转移的规律和特性。 4. 设计和合成新型的符合聚合物光伏电池要求的具有在可见光区较宽的吸收谱带、较高的载流子迁移率共轭聚合物材料研究材料的纯化方法。 5. 寻找与无机半导体纳米材料能级匹配的共轭聚合物材料。根据与半导体纳晶复合的需要对聚合物材料进行结构和性能修饰或和对半导体纳米粒子进行表面改性改进和提高聚合物与半导体纳米

21、晶之间的电子转移速度。 6. 优化材料合成、纯化和器件制备等条件制备出高性能的聚合物/无机半导体纳晶复合型光伏打电池。 8 2拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析 研究方法 调查法 观察法 实验法 文献研究法 实证研究法 定量分析法 定性分析法 跨学科研究法 个案研究法 功能分析法 数量研究法 模型方法 探索性研究法经验总结法 技术路线 实施方案按技术路线执行。 可行性分析在每一步仔细分析。 3课题的创新点 1尺寸和形状可控的ii-vi族金属硫属化合物主要是cdsznscdsecdte等和iii-v族如gaas inp等半导体纳晶材料的新的合成方法这种方法具有合成条件温和、符合绿色

22、化学要求的特点。 2共轭聚合物/半导体纳晶界面结构的研究为提高这种复合体系界面间的电荷转移性能对聚合物结构和半导体纳晶表面进行的修饰改性。 将聚合物的易加工性与无机纳晶的高载流子迁移率结合制备杂化太阳能电池。 理论分析阅读文献设计s族金属硫化合物半导体纳米粒子的化学合成方案 实验1制备纳米粒子并进行进行结构、形貌和各种性能表征 研究实验结果研究半导体纳晶/共轭聚合物复合体系的界面结构特征研究界面间激发态电荷转移和能量转移的规律和特性 实验2设计和合成新型的符合聚合物光伏电池要求的具有在可见光区较宽的吸收谱带、较高的载流子迁移率共轭聚合物材料 实验3在2的结果中寻找与无机半导体纳米材料能级匹配的

23、共轭聚合物材料 实验4:根据与半导体纳晶复合的需要对聚合物材料进行结构和性能修饰对半导体纳米粒子进行表面改性改进和提高聚合物与半导体纳米晶之间的电子转移速度 成品制备制备出高性能的聚合物/无机半导体纳晶复合型光伏打电池 撰写论文 结束 9 4、研究基础 1所需实验手段、研究条件和实验条件 实验手段光敏谱测量系统配有计算机控制单色仪高压氙灯斩光器及锁相放大器合成实验室。 电化学和阻抗分析仪im6e德国zahner elektrik公司 u-2001 uv-vis 光谱仪日立公司 f-4500荧光光谱仪日立公司 研究条件 1成员条件 项目组成员具有勤奋刻苦的敬业精神本项目所需实验条件基本具备。这些

24、为本项目的完成提供了基本保证。在实施方案中本项目的指导老师具备新型共轭聚合物合成和金属络合物方面部分前期的准备和工作基础材料的表征我们有坚实的基础和研究经验。 2.实验室条件 具备单独的合成实验室、有完备的合成表征实验条件。 3尚缺的条件 实验室尚不具备器件的制备与表征。 解决方案 我将与有关化学研究所有非常深厚的合作基础我在加强与这些单位合作的同时也将不断地拓展与其他兄弟单位的合作。这些为本项目的完成提供了良好的前期研究基础。 10 2 经费预算 开支科目 预算金费 元 主要用途 阶段下达经费计划元 前半阶段 后半阶段 预算经费总额 8000 2300 5200 试验费 2000 分析测试实

25、验仪器 1000 1000 材料费 5000 试剂原料的购置 1000 4000 书籍文稿费 500 购买相关资料打印文稿 300 200 其他 5000 其他为 电化学和阻抗分析仪im6e德国zahner elektrik公司 u-2001 uv-vis 光谱仪日立公司 f-4500荧光光谱仪日立公司 的使用 11 5、主要参考文献不少于25篇、外文不少于15篇 序号 文献目录作者、题目、刊物名、出版时间、页次 1 无机化学 关鲁雄等 2 工科大学化学张平民等 3 工科大学化学张平民等 4 工科大学化学张平民等 5 周海涛、张鸿、李志成 纳米复合la9.33si6o26/ce0.85bi0.

26、15o1.925氧离子导电体的制备及其导电性能 中南大学学报自然科学版 2009年10月 第40卷第5期 1265页1269页 6 张莹、刘开宇、张伟、王洪恩 纳米二氧化锰的电化学电容性能 中南大学学报自然科学版 2008年6月 第39卷第3期 469页473页 7 张昌能、王淼、周晓文、林原、方世璧、李学萍、肖旭瑞、岑况 染料敏化太阳能电池中聚合物电解质的优化 科学通报 2004年7月 第49卷第13期 1241页1244页 8 刘艳彪、周保学、熊必涛、白晶、李龙海 tio2纳米管阵列太阳能电池薄膜材料及电池性能研究 科学通报 2007年5月 第52卷第10期 1102页1106页 9 周媛媛、余日文、李松、李蕾 导电高分子材料聚苯胺的研究进展化学推进剂与高分子材料 2007年 第5卷第6期 14页19页 10 黄红敏、贺庆国、蔺洪振、王文龙、翟锦、杨俊林、彭权刚、朱道本、白凤莲 有机半导体光伏打电池 物理学和高新技术 2003年 第32卷第1期 32页35页 11 陈红征、施敏敏 有机复合光电功能材料与器件领域的前沿与热点热点聚焦