太阳能电池材料的研究进展水

1、本文由xdh9uvyzvk贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 年 赣 南 师 范 学 院 学 报 第六期 太 阳能 电池材料 的研究进展水 彭艳 红 ， 雪峰 ， 和 瑞 韩 温 （ 赣南师范学院 化学 与生命科学学 院 ， 江西 赣州 ） 摘 要 ：太阳能利用的关键是 太阳能的捕获与转换，太阳能转换形式有 多种 。但最基 本的是通过光敏材料将 太阳能转化 为电能和化学能、 本文从硅 基半导体 太阳能 电池材料到 当前染料敏化 半导体 太阳能 电池材料， 综述 了太 阳 能 电池 材 料 的研 究进 展 关键词 ：太阳能；电能 ；太阳能

2、电池 ；太阳能 电池材料 中 图 分类 号 ： ” 文 献 标 识 码 ： 文 章 编 号 ： ） 随着煤 、石油 、天然气等能源 的 日益枯竭 ，人们迫切需要 寻找新 的能源 占地球总能量 以上的太 阳能是没有污染的 清 洁能源 目前要解 决的一个重要 问题是太 阳能的捕获和转换 ，太阳能转换的形式多种多样 但基本 的一点是通过光敏材料 将太 阳能转化为化学能和电能 年 首次报道 了高纯单 晶硅光照能产生很高的光 电压响应 当前基于单 晶硅 、多晶硅和 非 品硅材料 的太 阳能电池已经获得广泛应用 ，硅晶系列太阳能电池 的总能量转换效率已达 以上 用作太 阳能电池的 目前 材料 主要 有无机

3、半导体材料 和具有共轭结构 的有机化合物或金属配合物 无机半导体材料发展起 步早 研究 比较深人 但由 于无机 半导体材料制作复杂 ， 价格昂贵 大规模使用受到成本 、 技术和资源 的限制 世纪 年代起人们开始探索具有共轭 结 构的有机化合物或金属配合 物太阳能 电池材料 文从硅半导体体太 阳能 电池材料到当前染料敏化半导 体太 阳能 电池材料 本 的研究 综述 太阳能电池材料的研究进展 ， 无机 半导体 太 阳能 电池材料 太阳能 电池的基本原理是太 阳光照射到太阳能电池材料上 使电池材料中的价带电子激发到导带上产生电子一 空穴对 电子一 空穴对在静 电势 能作 用下分离 ，电子移 向负极

4、， 空穴移 向正极 ， 然后被接触电极 收集 ， 这样外 电路就有 电流通过 太阳 光能转换成 电能的基本过程包括： （）电子光激发 ；（） 载流子的生成 ；（） 载流子的迁移 阳光照射到光电转换材料时 ， 当太 只有光子 的能量大于该材料的禁带 宽度时 ，才可能把价带电子激发到导带上去 ，使价带产生空穴 年 贝尔实验室的研究 人 员把 结 引进 单品硅 发现 了光电现象 ，并 由此开创了无机半导体太阳能 电池 的研究 典型的无机半导体光电池是由 型半导 体和 型半导体两种半 导体相接触而成 ，在两种半 导体材料 的结合处形成 结 卜 在结合 区由 型半导体扩散过来的 电子能填充到 型半导体

5、的空穴形成一个耗尽层 和本 征电势 单晶硅太阳能电池是开发得最早 、 使用最广泛的一种太阳能 电池 其结构和生 产工艺已定型 ， 品已广泛应用于空间技 产 术和其 它方 面 单晶硅太阳能 电池是 由高质量的单 晶硅材料制成的、 目前 商用晶体硅光伏产品的光转化率约为 左右 由于 单 品硅材料的制作成本 昂贵 而半导体薄膜太 阳能 电池材料只需几微米厚 就能 实现光电转换 是降低成本和提高光子循环的 理想材料 晶硅薄膜太阳能电池是用非晶硅半 导体材料制备 的一 种薄膜 电池 晶硅薄膜太阳能电池可以用玻璃 、特种塑 非 非 料 、陶瓷 、不锈钢等为衬 底 多晶硅薄 膜太 阳电池是将多品硅薄膜生长在

6、低成本 的衬底材料上作 为太阳电池的激活层 纳米 ： 半导体 的化学性质稳定 ， 米 半 导体用 做太 阳能 电池材料的原理与硅半导体相同 是宽禁带（ ： 纳 ： 但 ： 堙 ）半导体化合物 应用于太阳能 电池只有波长较短的太阳光 （ ）才能被吸 收而这部分紫外线（ ） 占到达地面上的太阳光能的 一 嘲 太 阳能利用率很低 ， 提高太阳能吸收效率 的途径是缩短 ： 半导体的禁带宽度 使其吸 收光谱向可 见光扩展 ，可以通过金 属离子掺杂 、非金属离子注入 、 半导体复合 以及染料敏化等 几个方法来缩短 的禁带 宽度；另一 利? 方法是增大 薄膜 的比表面积和在纳晶薄 膜电极 中引入光散射 中心

7、 使光在薄膜 内部发生散射 有 机太 阳能 电池材料 从世纪年代起开始探索一些具 有大共轭结构 的有机化合物或金属配合物用做太阳能电池材料 与 无机半导体太阳能 电池相 比 ， 有机材料制备太阳 能电池具有制造面积大 、制作 简单 、 廉价 、 并且可以在可卷 曲折叠的村底 上制备具有柔性的太 阳能 电池等优点 太阳能 电池材料主要是一些具 有大共轭结构的有机小分子茈类 化合物 、有机染料分子 、富勒烯及其衍 有机 生物 等 有机小 分子化合物 的主要优势是制备和表征 比较 简单 ，化学结构很容易修饰 。可 以根据需要进行设计 和改变官能团 有机 太阳能 电池是在两个电极之问央着有机半导体材料

8、 它 的电极一般都是 以钢锡氧 化物 （ 作 阳极和金属 、 、 ） 作 为阴极 ， 由于这种电池的光电转化率不高 ，所 以通常采用有 机， 但 无机复合 材料来制备太 阳能电池 有机太阳能 电池是利 用有 机半 导体材料 的光伏效应 阳光的照射下 有机半导 体材料吸 收光子 如果该光子的能量大于有机材料的禁带宽度 在太 就会产生激子撤 子分离后产生的电子和空穴向相反 的方 向运动 被收集在相应 的电极上 ，就形成了光 电压茈类化合 ， 物是典型的电子受体 ， 于 属 型有机半导体材料 ， 具有较高的电荷传输能 力 ， 光谱 区域内有较强 的光 吸收 图 收稿 日期 ： 修 回 日期 ： 基金

9、项 目：江西 省 自然 科学 基金项 目（ 准号 ： ；江西 省教 育厅科 技基 金项 目（ 准号 ： ） 批 ） 批 作 者简 介 ：彭 艳 红（ 、女 赣南 师范学 院化 学与 生命科 学学 院研 究生 第 期 彭 艳红 ， 峰 ， 和瑞 太 阳能 电池 材料 的研 究进 展 韩雪 温 为常见 的茈类化合物 吲哚菁染料是另一类 电子受体 吲哚菁染料的基本结构 如图 所示 应用于有机太阳能电池材料的吲哚 菁类染料一般带有羧基 ，这样便更有利于连接到过渡金属氧化物表 面的基 团删 图 常见舵类化合物 辞 曲 ， 。 咖 ： （ 附 ： 哪 ， 图 吲 哚 菁 染 料 的 分 子 结 构 分 子

10、内外表 面有 个 电子 ，组成三维兀 电子共轭体系 ，具有很强 的还原性 、低 电子亲和能（ 一） ，是 目 前最好的电子受体材料 生物和共轭聚合物所组 成的复合物来构成 主体一 通常 异质结太 阳能电池材料 等嘬 近报导了 图 化合物在 氰溶液 中的电荷分离态寿命为 ，是迄今报导过 的在溶液中 以电子给体 一电 瞵 子受体连接的化合物中电荷分离寿命最长 的化合物池 能和四硫富瓦烯 。 形成具有光敏特性 的化合物 在制备旷叮 一 体系 中采用的大部分给体在基态都具有芳香性 ， 其部分或完全氧化后形成 自由基正离子但 及其衍生物在基态为非芳香 性的分子，而氧化后形成具有芳香性的 一 ，二硫正离子

11、锚（ ，使体系电荷分离态的稳定性增加文献【 述了 连接 图 ） 陈 及其衍生物在有机光伏器件中的研究进展 还可以和具有活性受体的聚合物形成复合物，文献【 龄 述了富勒烯稠合体 与共轭聚合物作为有机太 阳能电池材料 的研究进展 咝 图 富勒 烯 及 其 衍 生 物 太 阳 能 电 池材 料 金属配 合物太 阳能 电池材 料 过渡金属配合物是 一类新 型的光 电材料化合物 ， 它可以兼有过渡金属离子的变价特性和有机分子结构 的多样性 ， 这类化 合物 的特点是过渡金属离子被有机配体所环绕 ，有机配体易于进行分子设计和分 子裁剪 ， 而过渡金属离子的 轨道或鼽 道上 具有未成 对电子 ，能形成特有的

12、光 电性质眉 前用做太 阳电池材料的金属配合物主要 有菁类化合物和具有共轭结构的联吡啶 过渡金属配合物 图 如 所示是一些典型的酞菁化 合物【 具有共轭结构 的金属钌和铂配合物 是一类可用做太 阳能电池材料 的化合物 （ 图） 母 （） ， 酞 菁 ， ， 基 图 具 有共轭结构的酞菁类化合 物 、金属钌和铂配合物 赣南师范学院学报 聚 合物 太阳 能 电池材料 年 聚合物 太阳能 电池 材料是 将一 些有机染料（ 小分子） 通过化学反应 引入 到高分 子主链 或支链上形成 聚合物 根据构成有机 太 阳能 电池 的基本原理 以将这类聚合物材料 分为电子给体材料 和电子受体材料 可 聚乙炔（ 是

13、迄今 为止实测电导率最高 的 ） 有机聚合物 电子给体 材料 聚苯撑乙烯撑（ ） 是一类 比较好的有机聚合物电子给体 具有共轭大 分子结构 ， 分子链刚性很强 难 溶 ，可以通过在苯环上引入长链烷烃获得 可溶性 的 ，这种聚合物禁带宽度适中 （ ），用作太 阳能 电池材料“ 为 聚噻吩（ ） 也是一种溶解性不 太好的有 机聚合物 ， 但带有 个碳以上长链烷 烃的衍生物可 以溶解 ， 如聚 辛基噻吩 中聚 一 其 一 烷 基噻吩是 一种性能较好的 聚乙烯基 咔唑（ ” ） 侧基上带有大共轭体 系的聚合物 ，可吸收紫外光 出的电子可 是在 激发 以通过相邻 咔唑环形成 的电荷复合物 自由迁移 是有

14、机 聚合 物太 阳能电池 材料中研究得最充分 的聚合 物” 聚吡咯（ ） 与 聚噻吩一样不易溶 ，很难与其它聚合物混合 等用十二烷 基磺 酸铁作氧化剂化学聚合 ，制得 了 十二烷基吡 一 咯与苯并硫代二唑共聚物（ （ ） 图 ） 这种 复合 物能溶于 普通溶剂 中（ 如氯仿） 聚芴及其共聚物是一类很好 的光致发光材料 当其主链插入芳胺共聚单元后 ， 表现出较强的空穴传导能力” 而当其 主链插入苯并噻二唑共 聚单 元后 ）构成的本 体 异质结 ， 表现 出光 伏效应 图一 些 电子给 体 聚合 物 染料 敏化 太 阳能 电池材料 年 报道 了一种新 型太 阳能 电池材料 ：以半 导体 等” （

15、：薄膜为光阳极 ，并 引入 了染料敏化剂 ，使电池效率达到 ，称之为 ） 染 料敏化太阳能电池 这种 电池 的出现为太阳 ， ） 能电池的发展带来了新方法 ，它将带有 发色团的染料分子引入到半导体 中， 大大增强了半导体捕获太 阳光的能力 染料敏化 太阳能电池的基本结构包括三个部分 ：染料敏化的纳 晶薄 膜、 工作电极（ 由导电玻璃 、 纳米 ： 半导体薄膜和带有发色团的染料敏化剂组 成） 、含有 的电解质和对电极（ ） 仃 图 通常由于 的禁 带宽度较大（ 、 图 染料敏 化 纳米 晶 阳能 电池 的工 ： ， ）， 太 可见光不能将其直接激发 ，因此在表面上吸附了一层对可见光吸收性能 良

16、作原理 示意图（ ： 半导体 的导带； 半导 ： 好的染料分子作为敏化剂，这种染料分子带有发色团，当光照射到染料分子 ， 价 巾； 染料分子吸收光子后跃迁到激发态 ，处在激发态 的染料分子产生中心离子向配体的电荷转移 ，电子通过配体很快注入到较低能 级的 带上 ， 电子在导带基底上 富集 ， 通过外电路流向对电极 染料分子输出电子后成 为氧化态 ， 它们随后被电解质中的还 原而得 以再生 而氧化态的电解质（在对电极上得到电子被还原 从而完成一个光电化学反应循珂 ） 理想的染料敏化剂要具有以下特点 ：对 可见 光具 有 良好的吸收 ，其 吸收光能与太 阳能光谱很好地匹配 ，它能够牢 此外 固的联

17、 接到半导体的表面 ， 以一致 的量子产率的方式将电子注入 到导带上 的多联吡啶配合物是一类重要的染料敏 并且 钌 化剂 图 为几种常见的多联 吡啶配合物 等首次将敏化剂（ （） 图 ） 连接到纳米晶电极上 ， 使光 电量子效率提高到 图 ） 成的一种配合物 （ 为 用它敏化 厚的纳米 电极上 最大光 电量子效率达到 在模 拟太阳光源下 电池 的光 电转化效率 达到了 ，： 图 为 目前应 用最广泛 的一种染料 ， （） （ ） 是 等于 年合成 它敏化 到纳米晶 ： 将 电极上 ， 的波长范围内 ， 在 其光电量子效 率高达 （ ）（ ） 图 ： 敏化的纳米 电极 ，光 电量子效率为 ： 】

18、 岱 （ （） ）： ：一 ： ： （ （ ）： （ ） （） （ ） ： ： （ ） ） ） （ ： （ 图 几 种 的 多联 吡啶 钌 配合 物 对 于染料敏化太 阳能 电池材料 ，界 面电荷的 分离和重合是非常重要的两个过程 当可见光照射到配合物染料分子 ，染料 分子吸收光 子后跃迁到激发态 ，然后处在激 发态染料分子的电子迁移到 半导体的导带上 ： 实际上，这是一个从染料分子 第 期 彭 艳红 雪峰 ， 和瑞 太 阳能电池 材料 的研 究进 展 韩 温 到 表面的电荷 分离过程 ，现在对界面 电荷 的分离机理还不是很明确 当电荷 分离形成之后 就会发生 电荷的迁移 电 子移 向正极而空

19、穴 移向负搬 从而在两 搬间形成一 定的电势 但在电荷的迁移过程巾 ，也伴随着 电荷的重新结合 （ 重合 ） 电荷 重合 浪费 了界面电荷分离所储存 的电势能 ，极大地降低光电转化的效率 目前染料敏化太 阳能 电池材料还存在光电转换 率低 ，或是 电池材料 的寿命 短 寻找光转换效率高 寿命长的光敏染料是染料敏化太阳能电池材料研究的重要方向 因此 参考 文献 ： 【 ， ） 】 ， （： 【】 营盘 铭， 穆 ， 德宏 等 夏亚 李 掺 纳米 粉的 合成 、表征 及催 化性 能研 究【 催化学 报、 ） 】 ， （ ： 【】 程萍， 顾明元， 金燕苹 光催化剂可见光化研究进展【 化学进展， ， （） 】 ： 马 玉涛 ， 原等 林 纳米 管薄 膜的制 备及其 光散 射性 能【 通报 ， （ ） 科学 】 ： 【 林鹅， 张志峰等有机太阳能电池研究进展叨 光电子技术 ， （） ： 【】 张 莉， 之 等 甲川菁染 料 敏 杨迈 三 纳