聚合物太阳能电池光伏材料的研究进展

太阳能光伏材料

第2期 高 分 子 通 报 85 知识介绍

聚合物太阳能电池光伏材料的研究进展

田 娜,马晓燕,王毅霏,朱小波,李冬梅

(西北工业大学理学院应用化学系,西安 710129)

摘要:聚合物太阳能电池由于成本低廉、轻薄灵活、光伏材料分子结构的可设计性等优点成为近年来太阳

能电池研究与开发的热点。光电转化效率较低一直是制约此类电池商业化的关键问题,而影响效率的因素包

括电池结构、光伏材料的选择、以及电池的组装技术等。本文简要介绍了聚合物太阳能电池的工作原理,对电

池光敏层结构的研究进展以及给、受体材料的种类和应用发展现状进行了着重分析,最后从提高电池效率的几

个方面展望了聚合物太阳能电池的发展方向。

关键词:太阳能电池;光伏材料;工作原理;聚合物光敏层;结构*

引言

太阳能作为一种易于获取、安全、洁净无污染的新能源为人们解决能源危机提供了新的思路。利用太阳能最有效的方式之一是太阳能电池技术,1954年美国贝尔实验室成功研制出效率为6%的实用型单晶硅电池为太阳能电池技术的研究拉开了序幕[1~3]。目前已开发和研究的太阳能电池有硅太阳能电池、

[4]无机化合物半导体太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机小分子太阳能电池以及聚合物太阳能电池。

同其它几种太阳电池相比,聚合物太阳能电池具有原料广、成本低、光伏材料可以自行设计合成以及可制备成柔性器件等诸多优点,成为近年来国际上前沿科学的研究热点之一。

在聚合物太阳能电池中,我们通常将P型材料称为给体材料(D),把N型材料称为受体材料(A)。与无机太阳电池相比,聚合物太阳能电池的工作原理虽然也是基于P N结光生伏打效应[5,6],但当光照射到聚合物电池材料时,光子被吸收后会产生激子(电子 空穴对)而非直接产生载流子(自由电子或空穴)。激子扩散到给体 受体的接触界面后分离为自由电子和空穴,在内建电场的驱动下自由电子通过受体材料通道迁移至阳极,空穴通过给体材料通道迁移至阴极,从而产生光电流[7](如图1所示)

。

图1 聚合物太阳能电池原理

Figure1 Principleofpolymersolarcells

基金项目:陕西省自然科学基金重点项目(2009JZ004);西北工业大学研究生创业种子基金(Z2010079);

作者简介:田娜(1983-),女,在读硕士。主要方向为聚合物太阳能电池光敏层材料的合成及其性能研究;

*通讯联系人:E mail:m_xiao_yana@http://doc.guandang.net.

太阳能光伏材料

本文将聚合物光敏层结构作为侧重点,综述了电池光敏层结构的发展现状以及光伏材料的研究进展,并对未来太阳能电池的发展趋势提出展望。

1 聚合物太阳能电池光敏层的结构

聚合物太阳能电池由聚合物光敏层、阴阳极以及部分调节光的附加层组成,其中聚合物光敏层的性能对整个电池的性能起着至关重要的作用,其结构包括单层结构和异质结型结构。早期的聚合物太阳能电池是用纯聚合物聚对苯撑乙烯(PPV)制备的单层结构器件[8]。由于仅含有一种半导体材料,光敏层的光吸收不能很好地覆盖整个太阳光谱,另外单层结构器件的自由载流子浓度较低,电子和空穴在同一种材料中传输时的复合几率较大,因此其能量转换效率极低。为了解决单层结构电池能效低的问题,科研工作者将注意力集中于异质结型聚合物太阳电池的研究与开发上。异质结型结构可分为双层结构、混合结构以及叠层结构。以下分别概述了几类异质结型电池。

1 1 双层结构电池

1986年,Tang等制成了第一个由电子给体CuPc和电子受体PV组成的双层有机薄膜太阳能电池,器件结构为ITO/CuPc/PV/Ag,器件效率为1%。此结构作为首例异质结型聚合物太阳能电池,其优点是将内建场存在的结合面与金属电极隔开,形成异质结的D/A界面为激子的离解阱,避免了激子在电极上的失活。由于有机半导体之间的化合键作用,D/A界面的表面态减少,从而降低了表面态对载流子的陷阱作用,但其效率仍然较低,究其原因主要有:一方面,聚合物材料的光谱吸收和太阳光谱不能很好地匹配,使得在太阳辐射中很大部分的光能不能被器件所吸收产生光激子;另一方面由于聚合物材料较差的电荷传输能力,很多激子不能传输到结面而被复合损失掉。典型双层电池结构如图2(a)所示[10]。1 2 体异质结型聚合物太阳能电池

针对D/A双层结太阳能电池的缺点,Yu等把电子给体MEHPPV(聚2 甲氧基 5(2 乙基)己氧基 对苯撑乙撑)和电子受体PCBM(6,6 苯基C61丁酸甲酯)共溶于一个有机溶剂中,然后通过旋涂等方法制成了D相和A相互相渗透并各自形成网络状连续相的共混薄膜,也就是所谓的体相异质结结构(如图2(b)所示),这种结构克服了双层结构电池D/A接触界面小的缺点,大幅度增大了D/A界面,有效地实现了激子的分离,使其能在各自网络中快速传输,并且电子和空穴也不容易相互接近而复合,大幅度提

高了能量转换效率。[11][9]

图2 (a)双层聚合物太阳电池结;(b)本体异质结聚合物太阳电池结构

Figure2 (a)Structureofpolymersolarcellswithdoublelayer;

(b)StructureofbulkHeterojunctionpolymersolarcells

1 3 叠层结构的聚合物太阳能电池

为了进一步提高器件的效率,人们提出了制备叠层结构[12]的多结聚合物太阳能电池的构想。这种结构将不同带隙的聚合物薄膜层在电池顶部堆砌起来,拓宽了光敏层对太阳光谱的响应范围,使高带隙聚合物材料层的吸收高能量光子,产生较高的电压,低带隙层吸收低能量光子,这样形成一个序列式结构,电池的总电压为每一个级联结构子电池的电压之和,这种结构提高了器件的总电压从而提高了能量转化效率。Dennler[13]的研究团队在Kim等[14]已做成的电池(电池结构如图3所示)基础上优化设计建

太阳能光伏材料

图3 叠层结构聚合物太阳能电池

Figure3 Polymersolarcellswithtandemstructure

立模型,将两个子电池串联起来,以P3HT:PC60BM异质结电池作为电池的底层,PCPDTBT:PC60BM作为电池的顶层,中间使用理想的完全透明的缓冲层以保证底层子电池中PC60BM的最低分子空余轨道(LUMO)能级与顶层子电池中PCPDTBT的最高分子占有轨道(HOMO)能级相匹配,通过理论计算得出结论:如果选择合适的经过优化的给体材料,运用叠层结构,使聚合物太阳能电池的能量转化效率达到15%在技术上是完全可行的。

2 聚合物太阳能电池光伏材料

聚合物太阳能电池光伏材料主要包括电子给体和电子受体材料二大类,它们构成P/N结或本体异质结为此类电池的正常工作提供了保证。

2 1 受体材料

2 1 1 无机半导体纳米晶类受体材料 无机半导体纳米晶[15]是一类常见的无机类电子受体。其作为电子受体材料与电子给体形成共混型的D/A型互穿网络结构综合了两种材料的优点,既利用了无机纳米晶载流子迁移率高、化学稳定性好,特别是某些纳米晶在近红外有较强吸收的特点,又保留了聚合物材料良好的柔韧性和可加工性。目前这方面的工作主要集中在对无机纳米晶CdS、Cdse、Zno、TiO2等共混型器件的研究上。Alexi等[16]用以主链含三苯胺的PA PPV作为电子给体,TiO2作为电子受体制作了双层异质结电池。在100mW/cm2(435nm)光照射下,开路电压为0 85V,FF为0 52,能量转换效率达到了3 9%,目前以ZnO做电子受体的电池的最高能量转换效率为1 60%[17]。人们在提高半导体纳米晶 共轭聚合物混合型太阳能电池的性能方面取得了一定的进展,但由于半 …… 此处隐藏：9606字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……