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有机太阳能电池报告.pdf

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有机太阳能电池报告.pdf

1 有机太阳能电池报告经过这几堂课的学习我从中学到了一些关于有机太阳能的相关知识,虽然听进去的不多但是也有所收获,下面简要做下有机太阳电池的总结。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。有机太阳能电池的原理太阳能电池的基本原理是基于半导体异质结或金属半导体界面附近的光伏效应, 所以又称为光伏电池。 当光子入射到光敏材料时, 激发材料内部产生电子和空穴对, 在静电势能作用下分离, 然后被接触电极收集, 这样外电路就有电流通过。在太阳光的照射下有机材料吸收光子, 如果该光子的能量大于有机材料的禁带宽度 E, 就会产生激子 电子空穴对 激子的结合能大约为 0.2~ 1.0 eV 高于相应的无机半导体激发产生的电子空穴对的结合能。 因此激子不会自动解离. 两种具有不同电子亲和能和电离势的材料相结触, 接触界面处产生接触电势差, 可以驱动激子解离。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。有机太阳能电池按照器件结构可基本分为 3 类1单质结 肖特基型 有机太阳能电池2异质结有机太阳能电池 p-n 异质结 混合异质结即本体异质结 级联结构 3染料敏化有机太阳能电池单质结 肖特基型 有机太阳能电池这是一种研究较早的太阳能电池, 结构为 玻璃/电极/有机层/电极, 如图 a 所示对于单层结构的电池来说,其内建电场源于两个电极的功函数差或者金属2 与有机材料接触而形成的肖特基势垒。 一般常用的有机光伏材料均可被制成此类太阳能电池,如酞菁 phthalocyanine、卟啉 porphyrin、菁染料 cyanine、导电聚合物等有机材料。缺点在于电子与空穴在同一材料中传输, 因而复合几率较大, 所以单质结有机太阳能电池的光电转换效率低。 实验室中以聚合物或有机分子材料制备的此类电池效率最高为 4%。最新进展有机材料进行 O2, H2, I2 掺杂可提高其电导率, 通过表面等离子极化 SPP激发技术提高光吸收量,从而提高电池的光电转换效率。异质结有机太阳能电池P-n 异质结有机太阳能电池的结构为玻璃/阳极/给体材料/受体材料/金属电极。如图 b 所示相比于单质结电池, p-n 质结电池的优势在于对有机材料的合理选择可以制造出宽光谱范围响应的器件。各种染料的电子施主 --受主相互作用使得光生载流子的高产率成为可能。缺陷在于由于有效的电荷分离只发生在给受体界面处,电荷分离被限制在电池较小的区域内,从而使吸收光子的数量受到限制。所以此类有机太阳能电池的光电转化效率仍然较低。研究进展为了扩大给受体接触面积,获得更多的光生载流子,学者们以聚合物MEH PPV 为给体、 C60 衍生物 PCBM 作为受体构造了混合异质结有机太阳能电池。其结构为玻璃/阳极/给体 受体混合材料/金属电极(图 c) 。由于无处不在的纳米尺度的界面大大增加了给受体接触面积,激子解离效率提高,使 η p进一步提高到 2.9。3 本体异质结有机太阳能电池结构理想情况下, 在混合异质结中电荷分离与收集是等效的。 但实际上混合体微观结构是无序的, 网络间存在大量缺陷, 从而阻碍了电荷的分离和传输。研究发现 将给体和受体通过共价键连接, 可以很简单地获得微相分离的互渗双连续网络结构, 基本能够克服以上的缺陷, 并且基于单一有机化合物的器件有利于获得化合物结构与器件效率的关系。混合异质结电池的研究进展Sun 等以多种非共轭柔性链作为连接给体和受体的桥梁,合成了有序的体异质结太阳能电池材料, 制备成器件, 通过空间和能级优化减少光子吸收、 激子及载流子的损失,提高了电池的能量转化效率。级联电池是一种串联的叠层电池, 是将两个或以上的器件单元以串接的方式做成一个器件 图 ld,以便最大限度地吸收太阳光谱,提高电池的开路电压和效率. 级联电池可利用不同材料的不同吸收范围, 增加对太阳光谱的吸收,减少高能光子的热损失,最终提高器件效率。4 染料敏化太阳能电池染料敏化太阳能电池的工作原理染料敏化太阳能电池 DSSC的基本工作原理如下当能量低于多孔纳米 TiO2 薄膜禁带宽度, 但等于染料分子特征吸收波长的入射光照射在多孔电极上时,吸附在多孔电极表面的染料分子中的电子受激跃迁至激发态,再注人到 TiO2 导带,而染料分子自身成为氧化态。注入到 TiO2 中的电子通过扩散富集到导电玻璃基板,然后进入外电路。处于氧化态的染料分子从电解质溶液中获得电子而被还原成基态,电解质中被氧化的电子扩散至对电极,这就完成了一个光电化学反应的过程。在染料敏化太阳能电池 DSSC中,光能被直接转换成了电能,而电池内部并没有发生净的化学变化。提出问题宽带隙半导体捕获太阳光的能力很差,无法直接用于太阳能的转换。研究发现将与宽带隙半导体的导带和价带能量匹配的一些有机染料吸附到半导体表面上, 利用有机染料对可见光的强吸收。 从而将体系的光谱响应延伸到可见区,这种现象称为半导体的染料敏化作用。燃料敏化太阳能电池示意图染料敏化层对降低电极的禁带宽度、 增强其吸收太阳光的能力、 提高转换效率具有重要的作用。因此敏化剂的选择是制作染料敏化太阳能电池的重要环节。常用的敏化剂除联吡啶配合物以外, 还有酞菁类金属配合物、 邻菲咯啉类配合物、卟啉类配合物等。 有机染料来源丰富, 具有高的光吸收率, 而且具有多样化结构,为人们进行分子设计提供了可能。有机太阳能电池具有如下优点化学可变性大,原料来源广泛;有多种途径可改变和提高材料光谱吸收能力,扩展光谱吸收范围,并提高载流子的传送能力;加工容易,可采用旋转法、流延法大面积成膜,还可进行拉伸取向使极性分子规整排列,采用 LB 膜技术在分子生长方向控制膜的厚度;容易进行物理改性,如采用高能离子注入掺杂或辐照处理可提高载流子的传导能力,减小电阻损耗提高短路电流;5 电池制作的结构多样化;价格便宜。有机高分子半导体材料的合成工艺比较简单,如酞菁类染料早已实现工业化生产,因而成本低廉。这是有机太阳能电池实用化最具有竞争能力的因素。可降解,对环境的污染小。有机太阳能电池发展前景与传统硅电池相比,有机太阳能电池更轻薄,在同等体积的情况下,展开后的受光面积会大大增加。因此,可将有机太阳能电池可以应用于通信卫星中,提高光电利用率。 而且, 由于其轻薄柔软易携带的特性, 有机太阳能电池不久将能给微型电脑、数码音乐播放器、无线鼠标等小型电子设备提供能源。从目前显示器领域的发展方向来看, 更大的面积、 更低的成本、 更加节能环保以及轻薄耐用都是热点趋势, 柔性显示器不仅具有这些特性, 而且具有更多创新应用的发展潜力,从单纯的面板扩大至数字出版、会展布置、 广告媒体和建筑设计等产业, 深入生活的不同层面, 改变整个信息生活的风貌。 将有机太阳能电池应用在柔性显示器中, 其廉价的成本、 轻薄、 环保、可折叠的性能比其它电池具有更大的优势。最近, 以视频眼镜和随身影院为重要载体的头戴式显示器得到了越来越广泛的应用和发展。采用有机太阳能电池作为电源给 OLED 屏幕供电,其轻便性能可以减轻重量,使得头戴式显示器更加人性化。我们预计,有机太阳能电池与OLED 的联合使用可以引领电子设备的革命, 人们生活与娱乐也将变得更加丰富多彩。在军事方面,有机太阳能电池与 OLED 技术的结合可用于集多种通讯能力于一体的护腕式通讯设备,实时观看视频和图形信息,适合陆军进行野战评估。在电力方面, 有机太阳能电池除了应用在内蒙地区或辽宁西北部地区沙化土地上进行发电外, 还可以用于大面积的植树造林。 采用速生的品种让树木在有效的生长期内快速增长, 使树木在人为的控制下像粮食一样增产增收。 在具体实施过程中,有机太阳能电池和太阳能抽水技术将发挥十分重要的作用。经计算,模拟叶绿素的有机太阳能薄膜电池理论上光电转化效率可达 60-80,这是有机太阳能电池提高光电转化效率的可能的重要途径, 也是一条发展的新思路。有机太阳能电池的问题有机材料的带隙很大是导致有机太阳能电池相对无机太阳能电池的问题有较低的量子效率( 3)的主要原因。材料的氧化和还原所导致的不稳定性,重结晶和温度变化导致了器件的衰老, 每个层面都对研究者提出了很大的挑战。 其它重要因素还有激子扩散距离、 电荷分离和电荷收集, 而材料中的杂质对电荷传导和迁移率也有影响。以上就是我对有机太阳电池的做到报告, 有些是上课所没接触到的但经过一番整理和上网搜索让我获取的知识有所增加, 对一些模糊的知识点也理清了, 相信自己对有机太阳电池已经知道了许多。常州工程 光伏 1121 2013.10.26

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