有机光伏电池的研究现状

1、结课论文题目:有机光伏电池的研究现状 院 系： 专 业： 班 级： 学 号： 姓 名： 有机光伏电池的研究现状摘要：本文对有机电致发光显示器件的发展历史，器件结构、工作特征、发光器件（OLED）的优点、发展现状和趋势等都做了简要的概括。详细介绍了有机发光材料的研究状况，包括小分子发光材料、高分子(聚合物)发光材料，以及新材料的开发。最后总结了国内外OLED技术的发展状况。关键词：有机光伏材料Research and developmentof Organic photovoltaic cellsAbstract Organic light-emitting diodes (OLEDs), ha

2、ving excellent properties of low driving voltage and brightemission, have been extensively studied due to their possible applications for flat panel color displays.At the same time, or-ganic electroluminescent materials have been made with an outstanding progress.And thestatus of organic electrolumi

3、-nescent materials(including evaporated molecules and polymers)were reported in this paper.Key wordsOLED, organic luminescent materials, evaporated molecules and polymers光伏作用（Photovoltaic effect）光照在不均匀的半导体或半导体与金属结合的不同部位而在其之间产生电位差的现象。（光子电子；光能电能）一、发展历史术语“光生伏打”（Photovoltaics）来源于希腊语，意思是光、伏特和电气的，来源于意大利物理

4、学家亚历山德罗伏特的名字，在亚历山德罗伏特以后“伏特”便作为电压的单位使用。以太阳能发展的历史来说，光照射到材料上所引起的“光起电力”行为，早在19世纪的时候就已经发现了。1849年术语“光伏”(photo-voltaic)才出现在英语中，意指由光产生电动势，即光产生伏特。1839年，光生伏特效应第一次由法国物理学家A.E.Becquerel发现。1883年第一块太阳电池由Charles Fritts制备成功。Charles用硒半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结，器件只有1%的效率。到了1930年代，照相机的曝光计广泛地使用光起电力行为原理。1946年Russell Ohl申请了现代太

5、阳电池的制造专利。到了1950年代，随着半导体物理性质的逐渐了解，以及加工技术的进步，1954年当美国的贝尔实验室在用半导体做实验发现在硅中掺入一定量的杂质后对光更加敏感这一现象后，第一个有实际应用价值的太阳能电池于1954年诞生在贝尔实验室。太阳电池技术的时代终于到来。1960年代开始，美国发射的人造卫星就已经利用太阳能电池做为能量的来源。1970年代能源危机时，让世界各国察觉到能源开发的重要性。1973年发生了石油危机，人们开始把太阳能电池的应用转移到一般的民生用途上。 在美国、日本和以色列等国家，已经大量使用太阳能装置，更朝商业化的目标前进。2、 有机光伏电池应用情况基于化石能源的有限性

6、和不可再生的特点，寻找替代能源，成为维系全球经济可持续发展的一个重要环节。光伏发电直接利用太阳能转换成电能，是目前为止具有较高商业开发价值的绿色可再生能源，甚至在本世纪末有望成为主力能源之一。随着光伏电池制造技术的不断完善，生产成本不断降低，此外，化石能源价格持续走高，在内因和外因的共同推动下，光伏发电产业已经步入了快速发展阶段。来自IMS Research的报告显示，2010年新增光伏发电装机容量增长了130%，达到17.5GW。光伏发电产业的发展前景也越来越被国际社会看好。国际能源署（IEA）在2010年5月发表的太阳能光伏路线图中表示，光伏发电是能商用的可靠技术，在世界几乎所有地区都具有

7、长期增长的巨大潜力。该路线图中预测：从2010年开始，光伏发电占全球总电力的比例将不断上升。2020年达到1.3%，2030年升至4.6%。目前，我国光伏发电的应用市场处于起步阶段。2010年，我国新增光伏发电装机约500MW，累计达800MW。但与我国飞速发展的光伏制造业相比，在光伏应用领域的前进步伐明显滞后于我国光伏制造业。2000年，我国太阳能电池产量仅为3MW，到2007年年底达到1088MW，超过欧洲（1062.8MW）和日本（920MW），跃居世界第一位。2010年，我国太阳能电池产量达到8GW，约占全球光伏电池产量的一半。3、 为什么会促生有机光伏材料传统的光子材料为无机半导体材

8、料如Si、Ge 、GaAs 、GaP、GaN和SiC 等。但由于这类无机材料制作太阳电池存在生产工艺复杂、成本高、难设计、不透明和制作过程耗能高等不足，同时， 其成熟技术的转换效率己基本达到极限值，使进一步改进受到相当大程度的限制。近年来，导电聚合物的快速发展使得研究开发低成本太阳电池成为可能。共轭导电高分子材料由于在一定程度上同时具有聚合物的柔韧性和可加工性、以及无机半导体特性或金属导电性，因而具有巨大的潜在商业应用价值。随着有机聚合物研究向广度与深度的不断发展许多在传统材料中发现的光子现象在有机半导体聚合物中也同样被观测到。用这类聚合物制作的高性能光子器件包括发光二极管、发光电化学电池、光

9、伏电池、光探测及光电耦等这些器件的很多性能都已达到或超过相应的无机材料器件。而有机聚合物光伏电池以其低成本、可弯曲和大面积的优点倍受学术界和工业部门的关注。有机光伏材料区别于无机材料的特点是:(1)光生激子是强烈地束缚在一起的，它们一般不会自动地分离成单独的电荷;(2)电荷是以跳跃方式在定域状态形式的分子间传输的，而不是在带内传输，所以具有低的迁移率; (3) 相对于太阳光谱来讲，它们的吸收光波长范围很窄，但光吸收系数高(105cm-1)，100nm 左右的薄膜就可以得到较高的光密度;(4)这些材料在有氧和水存在的条件下往往是不稳定的;(5)作为一维半导体，它们的电和光性能具有较高的各向异性，

10、而这对于器件设计来讲具有潜在的应用价值。四、有机光伏电池的基本原理有机光伏电池的基本原理与无机太阳电池类似:(1)一定光照射到有机光伏器件后，具有能量hE的光子被有机半导体层吸收，就会激发一个电子从价带跃迁到导带，而在价带处留出空位，这一空位被称为空穴，空穴带有正电荷; (2) 在传统的半导体中，被激发的电子和形成的空穴会自由地向相反电极方向移动。而在导电聚合物中，受入射光子激发而形成的电子和空穴则会以束缚的形式存在;成为激子;(3) 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(见图1) 。五

11、、有机光伏电池材料的分类按照机械性和加工性可分为不溶的、可溶的及液晶材料等。通常包括小分子或低聚体、高聚物及液晶分子。能够吸收可见光的低聚体或单体称作发色团，其中具有溶解性的称作染料，而不具溶解性的则称为颜料。通常有机光伏电池的制作工艺取决于激活层材料的溶解性。对于不溶的颜料分子采用高真空气相沉积法成膜;晶体颜料分子可以使用物理蒸发生长成膜;染料和可溶性聚合物可通过溶液旋转涂膜、刮涂成膜、丝网印刷、层压旋转涂膜或电化学等方法成膜。目前用于光伏器件研究的聚合物材料主要包括聚噻吩(PTH)衍生物、聚苯乙炔(PPV) 衍生物、聚对苯(PPP) 衍生物、聚苯胺(PANI)、聚(2，5-吡啶)乙炔(P2

12、VP)以及其它类高分子材料。目前有机光伏材料发展面临的问题：有机聚合物光伏电池的开路电压通常为几百毫伏最高可超过一千毫伏 。而其短路电流一般都很低，为毫安级，填充因子也较低(105cm-1）、有机化合物结构可设计且制备提纯加工简便、加工性能好，易进行物理改性等。（2）有机太阳能电池制备工艺更加灵活简单，可采用真空蒸镀或涂敷的办法制备成膜，还可采用印刷或喷涂等方式，生产中的能耗较无机材料更低，生产过程对环境无污染，且可在柔性或非柔性衬底上加工，具有制造面积大、超薄、廉价、简易、良好柔韧性等特点。（3）有机太阳能电池产品是半透明的，便于装饰和应用，色彩可选。七、有机光伏电池的缺点目前有机太阳电池的

13、转换效率较低且寿命短，尚未进入使用阶段，存在着载流子迁移率低、结构无序、高的体电阻以及电池的耐久性差等问题，造成有机太阳能电池性能低下的原因主要有：（1）由于有机材料分子间相互作用力很弱，大都为无定型，即使有结晶度，也是无定型与结晶形态的混合，光照射后生成的光生载流子主要在分子内的共轭价键上运动，电荷的传输是通过载流子在相邻的分子态之间进行跳跃实现的，导致了有机材料的载流子迁移率一般都很低，与无机材料相比要低若干个量级，这对有机半导体器件的效率有较大影响；（2）有机半导体材料吸收太阳光波段不宽，绝大部分材料最大吸收波段在350nm650nm，而地球表面可吸收的太阳光的能量主要分布在600nm8

14、00nm，因此吸收光谱与太阳光光谱不匹配，导致光电转换效率低；如果通过增加激活层的厚度来提高光的吸收，但同时也会使器件的串联电阻增大激子和载流子的迁移距离增加，短路电流减小，从而导致光电转换效率较低；（3）有机半导体在吸收太阳光后会产生束缚的空穴-电子对“激子”，激子的分离与迁移并非全部有效，首先其扩散距离短，通常仅约为10nm，其次激子分离后产生的电子和空穴在一般有机材料中的传输速率不高，传输的过程中往往会受到电子和空穴复合的影响，并且电子和空穴传输到电极表面进入电极时通常要克服一个势垒，这样激子在半导体薄膜的迁移过程中就不可避免的存在着激子复合的损失，一般仅离边界或结点最近的激子才会产生光

15、伏电流，使得有机太阳能电池实际转化效率低下；（4）有机半导体材料在有氧和水存在的条件下往往是不稳定的。八、有机光伏材料研究方向有机光伏电池的研究成果是喜人的获得了较高的开路电压但是短路电流和填充因子要比无机光伏电池低的多。较低的光电流是由于较低的光吸收以及光电流产生和传输中的较大损耗造成的，而填充肉子则是由于低的电荷传输和高的复合所致。目前研究大多数集中在:(1) 改善光吸收，主要是使用具有红外吸收的聚合物和共辄结晶染料;(2)改善光电流的产生， 使用具有高流动性的聚合物及高有序相液晶材料;(3)器件制备过程的优化与稳定性; (4) 对有机光伏器件物理理论及实验技术的理解。高效有机光伏器件具备

16、的两个基本元素就是光诱导电荷产生及分离(电子传输效率)和产生的电荷传输到电极(电荷载流子迁移率) ，这两个不同的过程要同时在同一材料中完成。如何有效的完成这一过程是决定有机光伏器件效率的关键一个可能的方法就是通过器件中单独的组分来分别完成电荷传输和电荷产生这对有机光伏材料和器件研究提出了新的挑战。具有多功能光电特性的有机光伏材料应该通过分子设计朝如下方向发展: (1) 具有可调的电、光特性，如:带隙、电子亲合能及传输特性;(2)加工简单，可制成大面积薄膜并厚度可控;(3)与其它有机材料相溶好，可制成内部微结构均一的复合体; (4) 材料器件方面应该进入器件优化阶段:(1)要优化金属电极使之达到

17、欧姆接触，从而有效地收集光生载流子;(2)优化D/A对匹配的同时要调整共辄聚合物的带隙以更好地吸收太阳光;(3)优化相分离复合材料的网络微结构来提高载流子的产生和传输效率同时要求电荷载流子在复合体异质结的不同组分中吸收和迁移达到最大。和技术成本要低。9、 结论目前光伏电池研究的方向是开发高效低成本的电池材料和制造技术。有机聚合物光伏电池采用共轭聚合物作为光伏材料，制作工艺简单、成本低廉，可大面积制造，这使得有机聚合物光伏电池的研究越来越受到重视。虽然聚合物光伏电池的研究在最近几年取得了显著的发展，但其光电转换效率仍很低，只有得到高效率、性能稳定的光伏电池，才能实现聚合物光伏电池的商业化。对于有

18、机聚合物光伏电池效率的提高可以通过材料的选择和器件结构的优化来实现。另外从理论上就器件中激活层的厚度、给体受体所形成的微观结构对光电流、激子分裂效率的影响，电池的串、并联电阻对电池的伏安特性的影响等进行模拟分析，也为获得高转换效率的有机光伏电池提供了一个重要途径。参考文献 ：1 初国强，王子君，刘星元等，“有机电致发光现状和发展趋势”，光机电信息，2001，8: 1419 2 Tang C W and Van Slyke, SA，“Organic EL Diodes”，Appl. Phys. Lett., 1987, 51: 913-918 3滕鹤松，“迅速发展的有机电致发光（OEL）显示器件”，固体电子学研究与进展，2002，22(3):265267 4吴忠帜，林于庭，张兴华等，“有机发光元件的进展”，光训，2002，98: 1316 5杨素华，林钰璇，戴惠雯等，“揭开OLED之奥秘”，光训，2992，98: 2933 6陈寿安，彭刚勇，“有机电激发光显示器之发展回顾与前瞻”，光训，2002,95: 2531 7郑新友，吴有智，朱文清等，