【有机太阳能电池的探究进展综述7400字】

有机太阳能电池的研究进展综述摘要：为了缓解当前能源危机给世界带来的压力，大量的人力、财力与物力已经在太阳能电池等洁净能源领域开始投入了。由于有机太阳能电池具有独特的优点，同时伴随着有关探讨的更加深入，有机太阳能电池的能量速率逐渐获得提升，这表明了有机太阳能电池商品化的大好形势，现阶段已经有大量研究人员无私奉献于有机太阳能电池层面的产品研发工作。本文从有机太阳能电池的研究现状，有机太阳能电池的类别和提升有机太阳能电池转化速率的方式三个层面展开论述，对有机太阳能电池层面的研究现状展开探讨。关键词：有机太阳能电池；光电转化；研究进展目录TOC\o"1-3"\h\u17987第一章引言 15984第二章有机太阳能电池研究概况 2322692.1有机太阳能电池材料研究现状 260582.1.1有机小分子的太阳能电池材料 237922.1.2有机高分子的太阳能电池材料 257852.2有机太阳能电池发展的问题 3194562.2.1光电转换效率较低 3184872.2.2稳定性不高，可使用寿命较短 313882第三章有机太阳能电池类型 4236563.1材料分类 442653.1.1小分子材料 4228393.1.2有机聚合物材料 46533.2结构分类 494013.2.1单层结构 4117983.2.2异质结结构 489743.2.3叠层结构 512011第四章提高有机太阳能电池能量转换效率的方法 6125994.1在有机功能层中引入微纳结构 6179424.2对有机功能层进行掺杂 7194274.3器件结构中加入缓冲层 7261594.3.1阳极缓冲层 7269784.3.2阴极缓冲层 8107444.4有机太阳能器件阳极的优化处理 92133第五章总结 1020687参考文献 11第一章引言顺着社会的发展，科学技术不断进步，人民的生活水平不断提高，物质和文化生活进入了一个极其丰富的时代，人民的衣食住行发生了翻天覆地的变化。但是伴随着人们生活水平的提升，对各类新能源的需求量也越来越大，现阶段人们的生产生活主要依赖以石油天然气为代表的不可再生的化石能源，化石能源的使用给我们的环境产生了巨大压力，对人民的生产生活也造成了重大的影响，制约了人类社会经济的进一步发展。在化石能源日益匮乏的今天，研究人员对非化石能源的研究和开发从来没有停止过，核能、风能、太阳能等新型清洁能源应用的深度和广度不断增加，新能源的开发和利用道路也不是一帆风顺，2011年，日本福岛核泄漏事故带来的影响至今都没有消散。2021年南方电网能源发展论坛上，中国发展研究院院长王彤指出，为如期实现“双碳”目标，预计在2020年到2050年，国内能源供应必须新增加注资100万亿人民币。在许多的新能源技术中，太阳能发电始终是中国科学家科学研究的核心领域，有机太阳能电池是现阶段太阳能发电能源领域的火热项目中的一种，有机太阳能电池有着许多优势：其关键有机彩礼的光伏发电特性可以根据各种不同的分子结构修饰来调优；有机太阳能电池的制作成本费用低，方法监督；容易制作大面积、柔性的有机光伏部件。。早在上世纪70年代，研究人员就察觉了有机小分子的广电效用，随后高聚物太阳能电池板开始开发应用，但是其光电转化效率比较低，不足以满足商业化的需求，1986年，东门柯达公司的邓青云博士在太阳能电池板构造中添加两层异质结构，促使元器件速率得到明显的提升。研究人士看到了有机太阳能电池商品化的光辉远景。目前，新型有机功能材料的研究、开发与有机光伏器件结构的优化，是有机太阳能电池的探讨的重点研究内容。这两个层面相辅相成，一同提升了有机太阳能电池的光伏发电性能指标。

第二章有机太阳能电池研究概况2.1有机太阳能电池材料研究现状2.1.1有机小分子的太阳能电池材料有机小分子是当前研究制造有机太阳能电池材质的首要渠道，也是目前重点使用的一类太阳能电池材质，通过对有机小分子实际的分子结构形式进行分析，能够时期自行对一种新型的结构类型进行组织与制造，同时有机小分子材料在进行分子进行重组时，也能有效的提高太阳能电池的现实作用，很大程度的符合当今社会对太阳能电池的效果标准。2020年，中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究出一种具有13.34%光电转化效率的非富勒烯全小分子有机太阳能电池板，是现阶段已经宣布的有机小分子材质太阳能电池板中光电转化效率最高的材料之一。研究指出使用双氟氯原子对基于苯并二噻吩（BDT）单元的小分子给体的侧基进行修饰，能有效的提升电压，降低分钟的结晶性，改善分离形貌；同时由于氯原子的引入使得分子之间的π-π堆积更加紧密，电池的效率因此得到了显著的提升。2.1.2有机高分子的太阳能电池材料相对于小分子材料而言，有机高分子电池材料的工作原理有着较大的不同，随着研究的深入，科学家对高分子电池材料的研究也越来越多。研究人员发现，富勒烯衍生物是一种效能较高的电池能源供给材料。通过对此类材料的研究，对高分子材料的功效进行了进一步的优化。2014年，占肖卫等通过高分子/小分子的给体和受托材料相互匹配的方式，制作了一组小分子给体/高分子受体性的有机太阳能电池，最终实现了1.12%的器件效能。周二军等基于PDI单元，分别与咔唑。噻吩、硒酚等共聚，开发出了一系列的高分子受体材料，其中基于硒酚的活性层体系获得了3.01%的器件效能。2017年李永舫提出了“小分子受体高分子化”的策略来构筑高分子受体材料，并且开发出来高分子受体材料PZ1，该高分子材料作为受体材料运用在有机太阳能电池中，与高分子给体PBDB-T共混自卑的全高分子有机太阳能电池可以实现超过9%的器件性能。在其不断研究下，2018年通过共混成功实现了14.4%的性能，并且该体系还具有较好的形貌热稳定性2.2有机太阳能电池发展的问题2.2.1光电转换效率较低主要是因为有机材料分子相互之间的作用力比较弱，且有机材料吸取的波长窄小，对阳光的覆盖面积不足。另外有机半导体器件在吸取阳光后会形成激子，散开的间距很短，且在有机材料中的传输速率比较慢，在经过覆膜的时候会产生相应的损耗，更加的减少的了有机太阳能电池的光电转换效果，2021年上海交通大学的研究人员在单层有机太阳能电池转化效率上突破18%，创造了新的转化记录，但是与硅基太阳能电池和该钛矿太阳能电池相比，还有较大的差距。2.2.2稳定性不高，可使用寿命较短在有氧和水存在的环境里面，有机太阳能电池的活性层材料非常不稳定，导致有机太阳能电池在实际应用中存在着稳定性低，寿命短的问题，直接影响了有机太阳能电池的商业化应用。

第三章有机太阳能电池类型3.1材料分类3.1.1小分子材料比较常见的小分子材质有稠环芳烃类物质、酞菁类物质、金属卟啉类物质、具备π-π共轭构造的低聚物等。主要是因为小分子材质可以比较轻松的得到单晶体态的薄膜，有助于对自由电荷的传送机能实现研究分析，另外由于其具备很好的光电子特性，适宜在光电器件中运用。在实际应用中，有机太阳能电池的性能会受到小分子材料形成的薄膜形态的影响，如何控制好薄膜的形态是当前小分子材料应用的最大困难。3.1.2有机聚合物材料有机聚合物材质中应用较多的是聚噻吩以及衍化材质，与小分子材质对比，因为其独特的共轭效应，在一维层面上可以改变拓宽，有益于有机太阳能电池形成激子和电荷量载流自。而且经过调节高聚物材质的结构可以改变其对光线能吸收力的把控，高聚物材质也有着不错的成膜性，比较小分子材质来讲，更易于制作加工和应用。3.2结构分类3.2.1单层结构单层结构有机太阳能电池是最早研究成功的一种，单层结构有机太阳能电池是将单层的有机半导体材料直接嵌入电池的两极之间。这种电池虽然研发时间最早，但是在目前的使用当中极易发生能量损失，光电转换的效率也较低，不具备商用推广价值。3.2.2异质结结构异质结构是由各种不同的半导体器件相互间不一样层面或范围相互间建立的二维载体，异质结结构型是有机太阳能电池经过运用材质相互间建立的异质结，异质结型的太阳能电池经过异质结的各种不同又可分成体异质结、混合异质结、双层异质结。现阶段使用最普遍的异质结结构就是体异质结。3.2.3叠层结构叠层结构划分为两类，分别是串联叠层形式和并联叠层形式。串联叠层是将两个及以上的有机太阳能电池进行串联叠加，形成一个太阳能电池组。由于有机材料对太阳能光谱的波段不能实现全覆盖吸收，在经过叠层之后，通过吸收波段的叠加，实现对太阳能光谱的全覆盖吸收，提高效率。并联叠层和串联叠层的原理相差不大，区别仅在于电池的联接形式不一样，并联叠层的制造相比于串联叠层在难易度方面较高。第四章提高有机太阳能电池能量转换效率的方法4.1在有机功能层中引入微纳结构在阳光照射的刺激下，激子从有机功能模块层中形成，激子的扩散长度范围在10nm之间要想有效地将电子从空穴中分离出来，以及要避免激子的复合，就要将有机功能层中电子给体和受体之间的间隙控制在几十纳米的范围内。为了解决上述相关问题，研究人员使用氧化铝模板(AAO)，可以把纳米构造引进到有机功能模块层中极大地提升了电子器件给体(P3HT)与受体(C60)的触碰范围，不但能提升空穴与电子器件剥离速率一起还能传送到电子元器件的负极与正极。研究发现，P3HT的导电率能的提升是因为P3HT的纳米棒的倾向和主链倾向相同。此类纳米构造太阳能电池的转化速率比P3HT/C60双层构造电子元器件的转化速率提升了7倍。此外，学者发觉一起将酞氰铜(CuPc)纳米棒与活性氧化锌(ZnO)纳米棒各自注入到太阳能零部件的功能模块层中，都能高效提升电子元器件速率。另一方面，专家们也把电子器件受体材质制作成微纳构造连接到零部件功能模块层中，使其充分发挥提升太阳能电池零部件功能的功效。ZhanaoTan研究工作组把电子器件受体材质P3HT和PbSe量子点技术混和制作有机功能模块层材质，研发出了高性能光伏部件。相关研究表明，电子受体材料CdS纳米棒和MEH2PPV材料是太阳能电池的功能层结构材料，这些材料能让激子复合几率有效地降低，并且可以将部件的光伏特性提高。为了提高微纳结构的质量，在有机太阳能电池制造过程里也引入了纳米压印技术。WenjinZeng研究工作组选用新的纳米印压技术工艺，受体材质EV2BT与给体材质P3HT的接触面积制作出了微纳构造，将受体和给体的触碰范围扩大，将元器件的饱和电流扩大，从而将电池效率提升。为了能够探索更好的方法以提高器件性能，科学家们采用印刷技术，把有机功能模块层TDPTD:PCBM制作为高是180纳米、周期性是400纳米的二维材料。根据此光子晶体制造新的有机太阳能器件，极大地改善了电学性质与光吸收效率，新的有机太阳能器件的能量转换效率有效提高了70%，填充因子和填充因子都提升了10%。JohnRTumbleston研究工作组一样应用光子禁带材料结果高效地将电池效率提升了。研究人员选用偏斜蒸镀的方式，制作了纳米柱(纳米孔)的点阵式构造。将20纳米的ClAlPc被蒸镀ITO表面层时，将ITO基材偏斜到60°，结果显示ITO表面层可以建立等规的纳米柱(纳米孔)，其尺寸大约为30纳米。然后，他们将纳米结构层上制作40纳米的C60作为电子器件受体材质，C60材质可以高效地充填到ClAlPc纳米孔中。此类方式取得的电子器件给体、受体材质的触碰总面积是过去垂直蒸镀方式的2倍多，零部件的外量子效率也接近提升到过去方式的2倍多。4.2对有机功能层进行掺杂为了提高混合膜层P3HT的结晶化和P3HT:PCBM中二者的相分离，研究发现，在有机功能层P3HT:PCBM中加入十二烷硫醇，当加入十二烷硫醇浓度为溶液的2%时，部件效率提升了3倍左右,而且当PCBM和P3HT的质量比为2:1时，加入十二烷硫醇溶液占整体溶液的百分之二时，这个时候对提升器件功能模块的功效更为明显。Liu研究工作组把单壁纳米碳管渗入到有机功能模块层P3HT:PCBM里，他们的科学实验证实，单壁纳米碳管的混和浓度值低至(1%)时，单壁纳米碳管不仅能提升自由电子的扩散系数和合理提升功能模块层的导电能力;但是，假如单壁纳米碳管的混和浓度值超标准，它的金属性会使得功能模块层中的空穴和电子结合，进而使器件的热传递速率减低。对多壁纳米碳管而言，当它在功能模块层P3HT:PCBM里夹杂占比达到0.01wt%时，器件的速率比未夹杂情况下的参考器件高了29%。根本原因是多壁纳米碳管的渗入，造成伸展开了混和层中P3HT的碳链，而且P3HT碳链可以得到更佳的倾向性，因而具有更好的吸光速率，提升了该器件的光伏功能模块。为了更好地达到提升有机功能模块层的光伏性能的总体目标，向有机功能模块层渗入的材质还包括小分子ZnPc，Alq3，SiPc，二苯基蒽以及癸烷二茂钴等。4.3器件结构中加入缓冲层4.3.1阳极缓冲层现代，我们平常所用的阳极缓冲层叫PEDOT:PSS。只要甩膜一层PEDOT:PSS在清洗过的这种氧化铟锡(ITO)导电玻璃上，就能够更高效地弱化ITO表层的粗糙度，此外，还能把空穴从有机功能模块层向正极的引入效果提高。HouYanBing等人在甩膜PEDOT:PSS的过程中，向器件的上边提升了一个电场，研究发现，这一举措可以高效提高空穴链路层和正极的触碰总面积，从而提高器件的热传递效果与短路容量。选用电化学生成的方式制作正极缓存层PEDOT:PSS，器件特性一样获得较大水平的改进。研究发现，把金属材料纳米颗粒、小分子材质或金属氧化物纳米颗粒混和到PEDOT:PSS中，三者之间均能提高PEDOT:PSS空穴传递水平。把甘油混和到PEDOT:PSS中，能让导电能力获得全面提高，但是当甘油的混和浓度值高过30mg/ml时，混和甘油的PE2DOT:PSS膜层品质将要下降，从而不益于了器件特性的提高。有专家把金纳米颗粒混和到PEDOT:PSS中，利用选用金纳米颗粒的局域表层等离激元震荡效用，高效提高了有机功能模块层中的空穴和激子形成效果、电子器件剥离的概率，填充因子与短路容量都能获得提高。N.G.Semaltianos等研究人员察觉把活性氧化锌纳米颗粒渗入到PEDOT:PSS膜层中，会让PE2DOT:PSS高分子材料碳链能够良好的延伸，混和后的PEDOT:PSS膜层的导电率将要提高2倍。科学家们把有机化合物PT2FE做为缓存层制作添加到器件里，短路容量与开路电压便会一同提升，研究表明，聚四氟乙烯不但是非常低廉并且还具备稳定的有机化合物缓存层材质。除有机化合物外，氧化物还被广泛用作阳极缓冲层。采用氧化钼薄膜作为阳极缓冲层，有效降低了阳极费米能级和功能层Homo能级之间的势垒，提高了有机层到阳极的空穴传输能力，从而平衡了整个器件的载流子迁移率。除此之外，氧化锌、氧化钛、氧化钨等氧化物薄膜被广泛用作有机太阳能电池的阳极缓冲层。根据研究得知，在有机太阳能电池中制备了双层阳极缓冲层，其能量转换效率比单层PEDOT:PSS缓冲层高53%。他们在阳极和有机功能层之间制备了氧化钼层和聚合物TFB层，不但高效地影响了电子器件传送，并且增强了功能模块层到正极的空穴传送水平。4.3.2阴极缓冲层负极缓冲层可以由负极和功能模块层相互间展开制作，可以有效的提升电子由功能模块层向负极的传送水平，从而改进均衡元器件中的光电流浓度值。现阶段，LiF被广泛运用于有机电池元器件的负极缓冲层。要想LiF能起到阴极缓冲层的效果，LiF膜层的厚度一定要精确控制在0.5nm之间，不然将不利于电子向负极的传送，毁坏元器件功能模块。精确制作超薄型LiF薄膜对器件生产技术做出了更高一些的标准。因而，要找到某种新式的对薄膜层壁厚标准较低的负极缓冲层材质，为此来减少制作工序的难度系数，这也是当前阶段的科学研究热门中的一种。黄忠玉等人制作了有机C60做为功能模块层和负极相互之间的负极缓冲层。结果显示，C60薄膜不但但能有效的阻拦空穴的传送，并且还能阻拦有机功能模块层与金属材料负极的化学变化，减缓有机功能模块层的氧渗入和空气氧化。因而，C60缓冲层的进入，提升了元器件的转化速率，增加了器件的运行时间。除此之外，有机太阳能电池的阴极缓冲层通常也会采用氧化物膜层。研究人员把纳米二氧化钛膜层制作在负极与有机功能模块层相互间，器件的耐热性能取得明显的提升。研究人士还得知，选用纳米多孔纳米二氧化钛做为负极缓冲层，能更进一步改进器件光伏发电功能。有研究指出，阴极缓冲层里有两种较好的膜层，其中是氧化锌纳米颗粒和氧化锌膜层。张世勇等研究人员在试验中得到有关证实，若将3纳米氧化铬用作负极缓冲层添加到器件中，器件的热传递速率与LiF做为负极缓冲层相比较，3纳米氧化铬对比器件提升了12%，且器件的稳定性能也是有显著的提升。4.4有机太阳能器件阳极的优化处理目前，ITO常被作为有机太阳能光伏元器件的正极材质，以便能更佳的提升ITO正极，研究人士对它进行了相应的提升处理研究。DavidA.Rider研究小组将噻吩硅烷修饰在ITO表面，改善了器件的能量转换效率与电荷迁移率。文献中采用氨基硅烷在ITO表面自组装的方法对ITO阳极进行了优化。Y.M.Kang等研究人员将不同计量的氧化铯混入到ITO中，试验研究表明，当夹杂比率为3.0wt%时，通过装饰后的ITO膜层，其结晶体热度将外貌200℃，表层外貌比较整平，导电能力也是有明显的提升。此外，选用盐酸与液态氮也可以合理改进ITO正极。因为ITO里面含的铟成分为不可再生资源，铟成分在地球上的数量特别不足。因此，研究人士已经在全力以赴寻找能够替代ITO的作为部件的阳极氧化膜。研究发现，混合钨的氧化锡与混合铝的氧化锌都能在相应的水平上改进光伏发电器件的功能。除氧化物质外，某些有机材料还具备做为器件正极的正极。在论文中提及，选用高聚物PEDOT做为正极可以在较大水平上提升器件的光伏发电功能。YounSooKim等研究人士将二氧化硅混和到PEDOT中，制作出了同时具备低表面电阻率与高透光度的阳极。除此之外，其他用作阳极的有机化合物有碳纳米管和石墨烯。具有良好柔韧性的有机化合物为柔性光伏器件的制备奠定了基础。为了获得透光率高、导电性好的阳极，在光伏器件的阳极中还引入了氧化物/金属/氧化物三层结构。据研究发现，在阳极中加入金属层可以有效地提高阳极的导电性，但假如金属层过厚，会牺牲阳极的透光性功能，进而减少元器件的热传递速率。因而，唯有当金属膜到达相应壁厚时，才可以一同提升三层正极的导电率和通透率。M.Chakaroun研究工作组探究了ITO/Ag/ITO做为正极的元器件光伏发电功能。若ITO膜厚为50纳米，银膜壁厚为8纳米时，正极ITO/Ag/ITO的面电阻器将到达15Ω/☑，光透过率将达到90%。此外，MoO3/Ag/MoO3Al-dopedZnO(掺杂铝的氧化锌，AZO)/Ag/AZO等三层正极便会普遍使用到有机太阳能电池元器件中。

第五章总结本论文从有机太阳能电池的研究现状、有机太阳能电池的类别和提升有机太阳能电池转化速率的方式展开了论述，与无机太阳能电池相比较，有机太阳能电池在原料来源渠道更广、制作工艺更为简易、对自然环境的破坏也更小，行业市场的应用前景宽阔。可是现阶段有机太阳能电池的光电转化效率还比较低，同时使用的寿命也相对较短，不足以进行商用推广，有机太阳能电池的研究还有很长的路要走。目前我国正在实施“双碳”战略，对新能源的需求也越来越大。在未来，有机太阳能的技术难题被攻克后，它一定能给