有机半导体材料在太阳能电池上应用研究进展综述.pdf

- 1 - 有机半导体材料在太阳能电池上应用研究进展综述学号 43090130 姓名 夏祥摘要主要综述的是有机半导体材料的发展状况以及有机半导体在在太阳能电池上的应用。有机半导体材料是制造有机太阳能电池的基础。其分子结构的主要特征具有一个较长的离域共轭结构，它们可以是小分子，也可以是高分子。有机半导体材料的合成可以追述到十九世纪（例如合成聚苯胺的第一篇报道出现在 1862 年， 但它们真正得到人们的重视还是近二三十年的事。 基于其特殊性能，有机半导体材料的应用主要集中在 IT 设备制造（如硒鼓等） 、发光设备（ OLED）及有机太阳能电池上。引言有机太阳能电池是成分全部或部分为有机物的太阳能电池，他们使用了导电聚合物或小分子用于光的吸收和电荷转移。有机物的大量制备、相对价格低廉，柔软等性质使其在光伏应用方面很有前途。通过改变聚合物等分子的长度和官能团可以改变有机分子的能隙，有机物的摩尔消光系数很高，使得少量的有机物就可以吸收大量的光。相对于无机太阳能电池，有机太阳能电池的主要缺点是较低的能量转换效率，稳定性差和强度低。有机半导体的发展有机半导体在柔性显示器领域拥有巨大潜力，但是现阶段这种半导体材料达不到驱动高清示屏所需要的速度。硅等无机材料运行速度比有机半导体更快更耐用，但却无法弯曲。因此寻找一种运行速度快的柔性有机半导体就成为当务之急。据美国物理学家组织网 8月 18日（北京时间）报道，美国科学家开发出一种新的计算预测方法，可将新有机半导体材料的研发过程节省几个月甚至几年，- 2 - 并利用新方法研发出一种目前运行速度最快的新有机半导体材料。相关研究发表在 8月 16日出版的自然通讯杂志上。有机太阳能电池的简单介绍1 . 有机太阳能电池的原理有机太阳能电池以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，以光伏效应而产生电压形成电流。主要的光敏性质的有机材料均具有共轭结构并且有导电性，如酞菁化合物、卟啉、菁（ cyanine ）等。2 . 有机太阳能电池的几种结构有机太阳能电池按照半导体的材料可以分为单质结结构、 P-N 异质结结构、染料敏化纳米晶结构。3. P N 异质结结构P-N 异质结结构是指这种结构具有给体 - 受体（ N 型半导体与 P 型半导体）的异质结结构。其中半导体的材料多为染料，如酞菁类化合物、北四甲醛亚胺类化合物 [4] ， 利用半导体层间的 D/A 界面以及电子空穴分别在不同的材料中传递的特性，使分离效率提高。有机太阳能电池的发展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。第一个硅基太阳能电池是贝尔实验室在 1954年制造出来的，它的太阳光电转化效率约为 6％；硅基太阳能电池只能作为辅助能源，而不能作为主要能源使用。因为太阳能虽然总量很大，但是太阳能电池最重要的部件硅板需要的纯度比较高，且生产硅成本较高，污染较大；另一方面，传统太阳能电池对于阳光质量要求也较高，经常在阴雨天气不能进行蓄电，并不十分稳定，受场地及成本等因素限制不可能达到很高的功率，难以满足高耗电场所的电力需求，所以利用它做主要能源是不现实的。传统的太阳能电池需要进一步的完善才能得以更好的实现其经济价值。- 3 - 有机太阳能电池这个概念貌似很新，但其实它的历史也不短跟硅基太阳能电池的历史差不多。与目前大多数昂贵、基于无机硅半导体制造的太阳能电池不同，一种新型的太阳能电池正在研制开发中。这种太阳能电池采用基于碳的有机半导体聚合物制造，可大大降低成本。第一个有机光电转化器件是由Kearns 和 Calvin 在 1958 年制备的，其主要材料为镁酞菁（ MgPc）染料，染料层夹在两个功函数不同的电极之间。在那个器件上，他们观测到了 200 mV的开路电压，光电转化效率低得让人都不好意思提。由于转化效率太低，有机太阳能电池得不到实际的应用。然而 1986 年，有机太阳能电池行业内出现了一个里程碑式的突破。实现这个突破的是位华人，柯达公司的邓青云博士。这个时代的有机太阳能电池所采用的有机材料，主要还是具有高可见光吸收效率的有机染料。这些染料通常也被用作感光材料，这自然是柯达的强项。邓青云的器件之核心结构是由四羧基苝的一种衍生物（邓老管它叫 PV）和铜酞菁（ CuPc）组成的双层膜。双层膜的本质是一个异质结，邓老的思路是用两种有机半导体材料来模仿无机异质结太阳能电池。他制备的太阳能电池，光电转化效率达到 1％左右。虽然还是跟硅电池差得很远，但相对于以往的肖特基型电池却是一个很大的提高。这是一个成功的思路，为有机太阳能电池研究开拓了一个新的方向，时至今日这种双层膜异质结的结构仍然是有机太阳能电池研究的重点之一。作为给体的有机半导体材料吸收光子之后产生空穴－电子对，电子注入到作为受体的有机半导体材料后，空穴和电子得到分离。在这种体系中，电子给体为 p 型，电子受体则为 n 型，从而空穴和电子分别传输到两个电极上，形成光电流。与前述“肖特基型”电池相比，此种结构的特点在于引入了电荷分离的机制，使得光电转化效率大大的提高。影响有机太阳能电池工作效率的四个主要因素1. 有机材料的吸光能力。这决定了太阳光照射下，电池中所能形成的激子的数量。2. 有机材料中激子的扩散距离，换句话说，也就是激子在有机材料中的寿- 4 - 命。激子只能在给体 / 受体界面上分离，未能分离成自由电子和空穴的激子在一定时间后会“复合” ，也就是激发态的电子通过弛豫过程，又回到了电子基态；而原来吸收了光子能量则变成了热，浪费掉了。激子在有机材料中能存在的时间越长，能扩散的距离越远，就有越大的几率可以扩散到给体 / 受体界面上。3. 激子分离效率。激子扩散到给体 / 受体界面上之后，电子可以从给体的LUMO能级上注入受的 LUMO能级， 但同时还会有一些与之竞争的过程， 主要就是电子从受体 LUMO回传到给体 LUMO上的几率。第一个过程应该远快于第二个过程，激子才能有效地分离为自由电子与空穴。4. 载流子传输效率。有机半导体材料中存在许多束缚点，电子或者空穴途经这些束缚点时会被困住，无法抵达相应的电极。表征有机半导体材料传输能力的主要参数是载流子迁移率越大，载流子的传输效率越高。二十多年来学术界对有机太阳能电池的性能改进就是围绕着这四点展开。而最近几年，由于碳纳米管的发现以及研究，碳纳米管的诸多优良特性表明他是有机太阳能电池性能优化的一个得力助手。当前太阳能电池领域的研究重点是开发具有低成本和高效率的第三代太阳能电池。要实现该目标 , 可以采取多种途径 , 如开发多层异质结串联太阳能电池以吸收各种波段的光能 , 以及采用纳米技术和纳米材料。而碳纳米管（ CNTs）所具有的独特纳米一维结构和奇异的电学性质正好符合太阳能电池的要求。碳纳米管是一种重要的纳米材料 , 由于其在有机太阳能电池的光活性层及透明电极两方面的应用 , 碳纳米管独特结构、性质对其在电池器件性能的影响 , 可以看出碳纳米管基有机太阳能电池今后的发展趋势不可估量。例如美国康奈尔大学研究人员利用碳纳米管代替传统硅管 , 制造出高效太阳能电池。这一技术的关键是用碳纳米管代替传统硅管制造出光电二极管 , 后者是太阳能电池的基本元件。研究人员利用不同颜色的激光对这种二极管进行研究发现，在将光能转化成电能的过程中，它可以使电流强度加倍。总结及展望价廉、高效、可大面积制备的太阳电池一直是人们追求的目标。为什么中- 5 - 国企业自己生产的太阳能电池板不用，而几乎全部出口呢原因就在于太阳能电池的价格太高。在黄维教授看来，要想解决光伏产业中太阳能电池成本过高的问题，就要想办法提高光电转化效率和降低制造成本，有机太阳能电池便成为太阳能电池发展的必由之路，代表未来发展方向。日本福岛核电站问题引发了各国对核能安全性的思考，许多科学家又将能源重新聚焦到太阳能上面。随着对于环境保护认识的加强及石油、天然气等资源减少的考虑，太阳能在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。 预计到 2030 年， 可再生能源在总能源结构中将占到 30％以上， 而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到 10％以上； 到 2040年，可再生能源将占总能耗的 50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的 20％以上； 到 21 世纪末， 可再生能源在能源结构中将占到 80％以上， 太阳能发电将占到 60％以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。由此可以看出，太阳能电池市场前景广阔。而且由于有机半导体材料的柔性特征，如果一旦将有机半导体材料应用到太阳能电池上面，未来的太阳能电池将会是不受地形限制，安装简易方便的可折叠式的太阳能电池，也极其有利于太阳能电池的推广和发展。目前太阳能电池主要包括晶体硅电池和薄膜电池两种，它们各自的特点决定了它们在不同应用中拥有不可替代的地位。但是，未来 10 年晶体硅太阳能电池所占份额尽管会因有机薄膜太阳能电池的发展等原因而下降，但其主导地位仍不会根本改变；而薄膜电池如果能够解决转换效率不高、制备薄膜电池所用设备价格昂贵等问题，会有巨大的发展空间。解决光电转化率，也是有机太阳能电池研究需要突破的最为重大的堡垒。【参考文献】1. Yen-Ju Cheng, Sheng-Hsiung Yang, Chain-Shu Hsu Synthesis of Conjuated Polymers for Organic Solar Cell Applications 2. JEAN-LUC BR′ EDAS, JOSEPH E. NORTON, J R ME CORNIL, VEACESLAV COROPCEANU Molecular Understanding of Organic Solar Cells - 6 - 3. 赵毅， 杨德仁， 阙端麟 多孔硅和有机半导体复合的发光特性研究进展4. 刘霞 新方法大幅缩短有机半导体材料研发时间5. 章从福 利用有机半导体可生产高效率、低成本太阳能电池6. 官众 碳纳米管在有机太阳能电池中的应用7. 徐二阳 , 韦进全 , 王昆林 , 朱宏伟 . 碳纳米管在太阳能电池中的应用研究进展