聚合物有机太阳能电池器件的

河北大学

硕士学位论文

聚合物有机太阳能电池器件的

姓名：李占峰

申请学位级别：硕士

专业：原子与分子物理

指导教师：杨少鹏；李光

2011-05

摘 要

聚合物太阳能电池具有制造工艺简单、成本低、可卷曲、安全性高、能大面积制备等优点，具有广阔的应用前景，越来越受到人们的广泛关注。本文主要对聚合物太阳能电池的发展历史、发展现状及存在的问题进行了探讨，介绍了聚合物太阳能电池的相关知识。

为了获得较高的能量转换效率，本文研究了退火温度对聚合物太阳能电池器件的影响，并在退火的基础上，在太阳能电池的活性层和阴极之间加入一薄层ZnO作为空穴阻挡层。通过实验，我们得到：退火温度直接影响聚合物太阳能电池的能量转换效率，用P3HT:PCBM作为聚合物太阳电池活性层时，在退火温度为130℃时效果最好，能量转换效率达到2.65%；器件中加入ZnO层之后，能量转换效率明显提高，由原来的2.65%升高到3.45%。

我们采用一种新的电子给体材料PCDTBT，与电子受体材料PC71BM混合制成溶液作为聚合物太阳能电池的活性层，制备了4种不同结构的太阳能电池器件，通过与传统的活性层材料P3HT:PC61BM相对比，发现旋涂活性层PCDTBT:PC71BM的厚度为80nm 时，电池的性能最好，新的材料可以使电池的能量转换效率大大提高，其电池器件在100mw/cm2光照强度下，开路电压可达0.89V，短路电流密度为12.3mA/cm2，能量转换效率为5.38%。

本文还研究了电极修饰层对聚合物太阳能电池能量转换效率的影响，我们制备了结构相同、空穴传输层不同的聚合物有机太阳能电池器件，发现器件的性能与空穴传输层的电导率有关。随着空穴传输层电导率的增加，器件的短路电流密度增大，开路电压和填充因子减小。用PEDOT:PSS作为空穴传输层时，器件的性能最好，能量转换效率达到5.03%。

关键词聚合物太阳能电池退火温度ZnO PCDTBT PC71BM 能量转换效率活性层厚度电导率

Abstract

Polymer solar cells have manufacturing process simple, low cost, high security and curly, preparation of large area etc, and can have broad application prospects, more and more people's attention. This paper focuses on the development history of polymer solar cell development, the present situation and existing problems were discussed, introduces the related knowledge of polymer solar cells.

In order to obtain high energy conversion efficiency, this paper studies the annealing temperature on the influence of polymer solar cell device, and annealing, and on the basis of the active layer in solar cells and the cathode joined a thin layer of ZnO between as hole linings. Through the experiment, we get: annealing temperatures affecting polymer solar cells directly with the energy conversion efficiency, P3HT: PCBM as polymer solar cell activity in the annealing temperature layers for 130 ℃ works best when 2.65%, energy conversion efficiency reached; After adding ZnO layer device, the energy conversion efficiency was improved obviously, from originally of 2.65% non-smooth higher.

We adopt a new electronic give body materials, and electronic receptors materials PCDTBT PC71BM mixes of polymer solution as solar cells were active layer, four kinds of different structure of the solar cell device with traditional activity, through P3HT: PC61BM material of comparison, found PCDTBT: spin coating PC71BM active layer thickness of 80nm, batteries for the performance of the new materials, best can make battery energy conversion efficiency greatly improved, and its battery 100mw/cm2 devices in the light intensity, open 0.89 V, voltage of short-circuit current density of cm2, averaged 12.3 mA/energy conversion efficiency for 5.38%.

This paper also studies the electrode modified layer of polymer solar energy conversion efficiency, we the influence of the same structure, preparation of polymer hole-transporting layers of organic solar battery device of the device, found the performance and hole-transporting layer on conductivity. Along with the increase of hole-transport layer conductivity, the device short-circuit current density increases, open the voltage and the fill

factor decreased. As with PEDOT: PSS hole-transport layer, the performance of the device, the energy conversion efficiency achieve best 5.03%.

Keywords Polymer solar cells Annealing temperature ZnO PCDTBT PC71BM Energy conversion efficiency Active layer thickness conductivity

第1章 有机太阳能电池综述

发第1章 有机太阳能电池综述

1.1 引言

当今，能源危机和全球变暖两大问题，促使各国政府推动可再生能源的发展，而能源问题已成为世界各国生产和生活发展中遇到的首要问题。首先，世界传统能源现存储量有限，煤，石油，天然气等自然资源面临枯竭，已经不能满足人类当前发展的需要；其次，煤、石油等化石燃料会产生大量温室气体造成全球气候变暖，污染严重，给人类的生产和生活带来严重的影响。而太阳能在可再生能源行业中的地位举足轻重，成为未来最主要的清洁能源这一[1]，它清洁干净，不会改变地球的热能平衡，不产生有害气体也不会造成生态环境污染，另外，太阳辐射到地球上的能量是一个巨大的能源宝库，取之不尽，用之不竭。因此，太阳能的开发与利用引起了人类的极大重视，而基于光生伏打效应的太阳能电池是开发利用太阳能的最有效方法之一。

太阳能电池按其所使用原料的不同可分为无机太阳能电池和有机太阳能电池，因为无机材料发展起步早,研究比较广泛，所以目前研究和应用最为广泛的是无机太阳能电池。无机太阳能电池主要是单晶硅、多晶硅和非晶硅系列电池[2,3],然而硅电池原料成本高,生产工艺复杂,不易进行大面积加工，不能实现柔性化，并且原料受地域分布的影响，材料本身不利于降低成本,这些都限制了太阳能电池的普及和大规模使用。开发低成本太阳能电池的有效途径之一就是从材料入手,寻找廉价、环境稳定性高、具有良好光伏效应的新型太阳电池材料。有机太阳能电池材料的特点在于有机化合物的种类繁多,价格低廉，有机分子的化学结构容易修饰,化合物的制备提纯加工简便,可以制成大面积的柔性薄膜器件,拥有未来成本上的优势以及资源的广泛分布性[4]。因此，有机太阳能电池将会越来越受到人们的广泛关注，今后也会有更大的发展空间。

1.2 有机太阳能电池的发展历史及现状

自从1839年 EdmondBeeguerel 现了光伏效应及1876年英国天文学家亚当斯 (JohnCouchAdams)等发现硒片在太阳光照射下可以产生电流以来，很长时间人们仅仅是把它作为一种物理现象，而几乎没有付诸应用。直到1954年，贝尔实验室Chapin.D.M 等人[5]制作了第一块单晶硅太阳能电池，开创了光电转换的先例。而第一个有机光电转

河北大学理学硕士学位论文

化器件是由Kearns和ealvin在 1958年制备的，其主要材料为镁酞菁(MgPc)染料，有机层夹在两个功函数不同的金属电极之间，它与其中一个电极接触形成肖特基势垒，与另外一个电极形成欧姆接触，在肖特基势垒结合面处发生电荷分离。在这种电池结构中，使激子分离的内建势来源于金属电极的功函数差别或金属与有机材料接触形成的肖特基势垒。内建电场使得激子分离，从而产生电子和空穴。受器件结构的影响，光谱吸收的范围较窄，光通过金属结构的效率较低，而且，只有当激子扩散到电极和材料接触处，激子才能分离，而激子的扩散长度很短，通常这中太阳能电池的转换效率一般较低。

此后的20多年，有机太阳能电池发展缓慢，电池结构都与1958年版的类似，都是在功函数不同的两金属电极之间加入不同的有机半导体材料，器件的光电转化效率相当低。因此，此时的有机太阳能电池还不能付诸应用，仅具有象征性的学术意义。为了提高有机太阳能电池的能量转换效率，人们采用异质结结构来制备器件。 P-N异质结被称为给体-受体异质结，在本质上可以获得像半导体一样的P-N结。可以通过选择合适的给体-受体材料来扩展器件在可见光范围内的吸收，提高光生载流子的数量和效率。这种器件的光伏性能主要是由有机/有机界面决定的，而不是有机/电极界面。因为光照后产生的激子主要是在有机/有机界面分离形成载流子，界面的内建势主要是来源于两种不同材料的电子亲和势和离化能的差值。因此，对于单质结结构的器件来说，异质结结构能更有效的使激子解离，产生更强的光生电流。因此，器件的能量转换效率也要高得多。

自1977年导电聚乙炔（PA）被发现以来[6,7]，以聚乙炔薄膜为电池材料的研究论文十分活跃[8]。1982年，Weinberger等[9]研究了聚乙炔的光伏性质，制造出来第一个具有真正意义上的有机太阳能电池，但是当时的能量转换效率仅为10-3%。1992年,Sariciftci 等[10]发现共轭聚合物MEHPPV与C60之间存在的光诱导电子转移现象,C60作为电子受体材料的双层器件比单层的MEHPPV高。由此引起人们的极大兴趣。

虽然单异质结结构有机太阳能电池的转换效率较单质结结构有了很大提高，但单异质结结构毕竟给体-受体接触面积有限，使得产生的光生载流子数量不够多，载流子也不能很好的分离，这样就限制了器件性能的提高。为了获得更多的光生载流子，使载流子分离更具效率，就要增加异质结结构给体-受体的接触面积。将p型和n型有机半导体材料进行混合而制备的体异质结电池,增大了D /A界面面积,器件的光电转换效率得到明

第1章有机太阳能电池综述

显的提高。1997年Gao等[11]报道了由MEH-PPV和C60分别作为电子给体和受体材料混合制备的器件。此结构中给体和受体分子紧密接触，形成D-A混穿网络,提高了电荷的分离效率。在这个体系中由于异质结分散在整个膜的体系,转移到受体的电荷能够超过复合的电荷从而获得更高的转换效率。

在常见溶剂中，由于单纯的富勒烯溶解性较低，大大限制了这种器件能量转换效率的提高。因此,为了提高C60在有机溶剂中的溶解性，一般利用接枝的方法,从而增加聚合物薄膜中C60组分的比例,提高太阳能电池的效率。2005年Heerger等[12]报道了P3HT与PCBM混合溶液作为活性层的体异质结电池，能量转换效率高达5%。

理想的体异质结有如下要求[ 13 ] : (1)光电活性材料要在太阳光谱中着较宽的吸收; (2)在D /A界面电场作用下,激子分离产生的电子- 空穴对要能够有效的分离,并能够顺利传输到各自电极; ( 3)要有连续的网络互穿结构，做为载流子传输通道,使得电子和空穴能分别顺利传输到各自的电极。为了各个功能层能更好的发挥各自的作用，人们通常对电极进行修饰。电子传输层，空穴传输层的引入，使活性层中产生的电子和空穴能尽快分离，从而大大提高了器件的能量转换效率。2001年Sean E Shaheen等[14]利用聚合物MDMO-PPV和C60衍生物[6,6]-PCBM构造了一种混合的异质结构，该器件还分别采用PEDOT和LiF作为电极修饰层。该器件的能量转换效率η=2.5%。

Steffen Pfuetzner等[15]研究发现，用C70替代C60作为聚合物太阳能电池的电子受体材料后，器件的性能表现更优越。对比以往的聚合物有机太阳能电池，更高的能量转换效率和更长的使用寿命仍然是人们追求的目标，要提高器件的性能，必须要选用吸光能力更强的材料，降低热损耗，C60由于具有较高的电子亲和力和良好的实用性，一直作为电子受体材料或电子传输层而应用于有机聚合物太阳能电池。与C60相比，C70的吸光能力更强，更有利于电子的吸收和转移，器件的外量子效率在500—700nm光谱区域内可以达到50%，器件的能量转换效率达到2.87%。

Hou等[16]探索了新型电子给体材料作为聚合物太阳能电池的活性层，取得了较好的效果。由于P3HT在300—650nm范围内光谱中吸收范围较小，导致器件短路电流密度小，并且有机太阳能电池的开路电压大小与电子给体材料的电子最高占有轨道和电子受体材料的电子未占有轨道之间的差值有关，使得以P3HT:PCBM为活性层的有机太阳能电池器件的开路电压只能达到0.6V左右，这严重阻碍了器件的发展。为了克服这一问题，

河北大学理学硕士学位论文

进行了相关窄带隙聚合物电子给体材料的研究。聚合物太阳能电池中，体异质窄带隙聚合物材料作为电子给体材料合成成功，并应用于光电器件，取得了良好的效果，短路电流密度和能量转换效率都有较大提高，证明了这种方法确实是可行的。然而该器件在具有高电流和能量转换效率的同时，开路电压只能达到0.5—0.7V ，为提高聚合物太阳能电池的开路电压，增强器件的能量转换效率，需要找到一种能产生高电压的窄带隙聚合物材料。然而，除了PSFiDBT 和PCDTBT 之外，很少有能获得高开路电压（0.8V 以上）和高能量转换效率（5%以上）的窄带隙聚合物报道，鉴于这两种材料的分子结构类似，都含有芴链，他们合成了类似的聚合物窄带隙聚合物PBDTTBT ，它具有对称的延展面结构，有利于电子传输，对光的吸收增强。此外，PBDTTBT 在普通的有机溶剂中溶解性好，具有卓越的热稳定性，无惰性气体保护状态分解温度达到337℃。PBDTTBT 形成固体膜时，在300—700nm 范围内有3个吸收峰，吸收最强处处于596nm ，并且HOMO 为-5.31eV ，用PCDTTBT ：PCBM 混合作为活性层制备太阳能电池，其短路电流密度（Jsc ）达10.7mA/cm 2，开路电压（V oc ）高达0.92V ，能量转换效率为5.66%。

Yu 等[17]也结电池是其中最成功的结构，电子给体/受体混合，形成混穿网络结构。2008年以来，由于新型材料的应用，聚合物太阳能电池的能量转换效率提高到6%，虽然取得了较大的进步，但要让其应用到实际当中，还有大量的工作要做，有很多的因素影响到聚合物太阳能电池能量转换效率的提高。原则上，要提高聚合物太阳能电池的能量转换效率，要尽量减小聚合物的带隙，从而增强光的吸收，产生更大的短路电流，另外，还要降低聚合物的最高分子轨道（HOMO ），这关系到聚合物太阳能电池开路电压的提高。 Yu 等采用以PBDTTT 为主体、接有不同长链分别合成了PBDTTT –E ，PBDTTT –C ， PBDTTT –CF 作为聚合物太阳能电池的电子给体材料，如图1.1，分别比较了用三种材料制备的太阳能电池器件性能。其中，PBDTTT —CF 所制备的器件能量转换效率高达

7.73%，开路电压（V oc ）和短路电流密度（Jsc ）分别为0.76V 和15.2mA/cm 2。

第1章有机太阳能电池综述

图1.1 几种窄带隙电子给体材料分子结构式

In-Wook Hwang等[18]在研究了窄带聚合物太阳能电池基础上，为了提高器件的性能，采用了一种新的处理方法。由于以P3HT:PCBM为活性层的聚合物太阳能电池能量转换效率提升有限，他们研究了PCDTBT:PCBM作为活性层的聚合物太阳能电池，并加入了一种1-8辛烷作为操作助剂，通过光谱分析显示，使用操作助剂后，器件的载流子损耗减小，但这种减小不足以解释太阳能电池能量转换效率的提高。通过观察发现，使用操作助剂后，器件活性层膜形态发生变化，电子迁移率明显增加，这表明了PCDTBT:PCBM 的互穿网络的连通性提高，而电子迁移率的提高也是器件能量转换效率提高的主要原因，使用操作助剂后，器件的能量转换效率达到5.6%。

Youngkyoo Kim等[19]在总结前人经验的基础上，研究了退火温度和活性层使用不同溶剂对太阳能电池的影响。聚合物太阳能电池能量转换效率的提高不仅和器件的结构有关，而且有机层的成膜性对器件性能的影响也很大。他们将P3HT、PCBM按质量比为1:1混合，分别溶于氯苯和1、2二氯苯溶剂中，获得浓度为30mg/ml的混合活性层溶液，制备聚合物有机太阳能电池，经研究发现，在140℃退火15分钟时，器件的性能最佳，并且用氯苯作为活性层溶剂比用1、2二氯苯作溶剂时的能量转换效率更高，两种器件的能量转换效率分别为3%、2.3%。表明用氯苯作为溶剂，140℃退火时，活性层形态发生变化，更利于电子传输，膜的结晶度高，相分离好，因此器件的性能提高。

D. W. Zhao等[20]研究了层叠结构的体异质结级联太阳能电池。为了进一步提高太阳能电池的光伏性能，人们需要有效利用整个太阳光谱。体异质结级联太阳能电池是一种有

河北大学理学硕士学位论文

效的太阳能电池结构，把太阳光谱分成几个波段，每一层电池分别吸收不同波段的入射光。不同材料制作的太阳能电池叠加在一起，进一步扩展了器件在可见光范围内的吸收。如图1.2[21]就是一种层叠级联电池结构，两个体异质结太阳能电池通过中间的半透明材料MoO3相连，既能有效吸收光子能量，有保证了电荷的有效分离，从而提高了有机太阳能电池的光伏性能。这种结构相当于两个电池串联，提高了器件的开路电压，同时也保证了器件的短路电流，因此器件的光电转换效率得到大大提高。

图1.2 级联电池结构

Hin-Lap Yip等[22]在改善体异质结有机太阳能电池结构方面取得了巨大进步。体异质结有机太阳能电池由于电子受体材料和给体材料紧密结合，形成互穿网络结构，大大提高了电荷的分离效率，并且加入阳极修饰层PEDOT:PSS和阴极修饰层LiF之后，明显改善了器件的性能，提高了能量转换效率。但由于环境中水、氧的影响和电池中半导体材料的灵敏性，器件的稳定性很差。为了改善这情况，最近，金属氧化物TiO x等应用到体异质结有机太阳能电池中，作为缓冲层被插入到活性层和Al电极之间，大大提高了器件的性能和稳定性。然而Au、Ag作为阴极时稳定性更好，但由于功函数高，不利于电子收集而导致器件的能量转换效率偏低。Yip等在金属氧化物和电极之间加入了一层自组

第1章有机太阳能电池综述

合层（SAM），如图1.3，分别研究了三种金属Al、Ag、Au作为阴极时电池的性能，发现加入SAM层，不仅器件的性能明显改善，而且还能够改变Ag、Au的功函数，能量转换效率大大提高。使用Al、Ag、Au作为阴极制备太阳能电池时，三种器件的能量转换效率分别达到4.6%、4.4%、4.3%。

图1.3 加SAM层的太阳能电池结构图

1.3 有机聚合物太阳能电池的基本原理及主要参数

有机聚合物太阳能电池和无机太阳能电池一样，也是一种能够直接把太阳光能转化为电能的器件，它的工作原理与无机太阳能电池类似：

l)一束光照射到有机太阳能电池时，只有光子能量(hv)大于材料禁带宽度(Eg)时，光子能量才会被吸收，激发电子从价带跃迁到导带，而在价带处留出空位，这一空位称之为“空穴”，空穴带有正电荷。这样在材料内部产生了新的电子—空穴对，从而改变了材料的导电性。在有机太阳能电池中，受入射光子激发而形成的电子和空穴以束缚态的形势存在，称之为“激子”。

2)在传统的无机太阳能电池中，在外场作用下，被激发的电子移向正极，空穴移向负极。而在有机太阳能电池中，在外场作用下，激子解离成自由移动的电子和空穴。电

河北大学理学硕士学位论文

子和空穴的迁移运动就形成了光电流。激子分离后产生的电子和空穴向相反的方向运动,被收集在相应的电极上,就形成了光电压。如图1.4所示：

图1.4 聚合物太阳能电池基本原理示意图

实际上在有机太阳能电池中，有机材料的激子分离与迁移不是全部有效,为了有效地将光能转化成电能,必须满足以下条件[23]:(1)在有机太阳电池中，有机材料对太阳光谱的吸收要尽可能的大;(2)光子被吸收后能够产生的自由载流子要足够的多;(3)产生的载流子能低损耗地顺利到达外部电路,这样才能得到较大的光电转换效率。然而事实上在光电转换过程中存在着大量损耗[24],使得有机光伏电池实际效率低下。

在表征太阳能电池的光伏性能时，主要有以下几个参数：

1 开路电压V oc：当电路为开路即电流为零时，两电极之间的电位差，称之为开路电压。

2 短路电流I SC：当太阳能电池两段发生短路时，形成的最大电流，称之为短路电流。

3 填充因子FF：

FF= (Vmax× Imax)/(V OC×I SC)

其中Vmax和 Imax是最大输出功率（Pmax）时对应的电压和电流。

4 外量子效率（EQE）又称为光电转换效率（IPCE）：入射光子转换为电流的效率。

IPCE =（1240×ISC）/（λ×Pin）

其中λ为入射单色光的波长，Pin为入射单色光的功率。要提高外量子效率，必须要改善光的吸收、提高激子的扩散效率、增强载流子的收集。外量子效率是衡量太阳能电池性能好坏的重要参数。

5 能量转换效率（η）：即最大输出功率Pout与入射的光照强度Pin之比。

η＝Pout/Pin= Vmax×Imax/ Pin=FF ×V OC×I SC/ Pin

其中 Pout，Pin分别为最大输出功率和入射光强。

短路电流和开路电压是太阳能电池中最重要的参数，较高的短路电流和开路电压是产生高效率的基础。对于短路电流和开路电压都相同的两个电池，制约其效率大小的因

第1章有机太阳能电池综述

素就是填充因子，填充因子大，效率就高。习惯上，将太阳光下的能量转化效率称为总能量转换效率，而单色光下的能量转化效率用η(λ)表示，其中λ为激发波长。

通过测量电流-电压曲线(I-V)和电流-光谱响应曲线来描述电池的性能。

图1.5 电流电压曲线(I-V曲线)

在一定的光照下，可以得到端电压和电路中通过负载的工作电流的关系曲线，叫做光电池的伏安特性曲线。如图1.5所示，在一定的光照下，光生电流I L是一个常量。曲线与电流轴的交点为短路电流Isc，曲线与电压轴的交点为开路电压V OC。随着负载电阻R的变化，电流和电压沿着曲线相应变化。达到曲线上P点所对应的电流称为最佳输出电流I P，对应的电压称为最佳输出电压V P。不难看出，太阳电池的I一V曲线越趋向方形，其 FF值越大，电池输出特性越好。理想的太阳能光电池的FF为0.82。

河北大学理学硕士学位论文

第2章 ZnO对有机聚合物太阳能电池性能的影响研究

2.1 引言

为了提高有机太阳能电池的转换效率，我们主要研究的是ZnO薄层的插入对以P3HT：PCBM为活性层的有机太阳能电池性能的影响，空穴传输层选用PEDOT:PSS， ZnO层作为空穴阻挡层。另外活性层经不同温度的退火处理，对器件的性能也有着很大的影响[25-26]。

由于ZnO的功函数接近PCBM有利于电子的传输和ZnO低的HOMO起到阻挡空穴的作用[27]，从而平衡电子和空穴的传输；在活性层和Al电极之间插入3 nm的ZnO薄层作为空穴阻挡层和电子选择层，使得电池转化效率由2.65%提高到了3. 45 %.。我们认为，由于ZnO薄层有利于改善器件，起到增加器件对光吸收的作用，从而使活性层的吸收进一步增强，进而达到了提高效率的目的。

2.2 实验材料和实验器件结构

本章所采用的材料均为商业性购进未经进一步提纯加工处理，空穴传输层，活性层的分子结构式和器件结构如图2.1，图2.2所示：

第2章ZnO对有机聚合物太阳能电池性能的影响研究

图2.1 材料的分子结构式

图2.2 器件结构图

河北大学理学硕士学位论文

2.3 器件的制备

有机太阳能电池器件的制备工艺比较简单，其中主要涉及到薄膜工艺和薄膜处理技术，它的主要工艺流程包括：有机活性层的配制；ITO玻璃的清洗及预处理；空穴传输层PEDOT:PSS的旋涂；有机活性层的旋涂；有机修饰层的蒸镀；金属电极的蒸镀。由于有机太阳能电池的制备过程对环境的水、氧含量及清洁度要求比较严格，所以制备过程主要是在充满N2的手套箱中进行的。

首先称量一定量的P3HT和PCBM，分别溶于一定量的氯苯溶剂中，制成浓度相同的P3HT和PCBM的氯苯溶液，再按质量比为1:1将两种溶液混合，置于恒温摇床震荡8小时以上，带混合均匀后取出放入手套箱中待用。

由于有机层与ITO间的界面对器件发光性能的影响至关重要[28-31]，基片表面的平整度和清洁度对其后有机材料的成膜性影响很大，不洁的表面不仅会影响电极的透光率，还会引入势垒和杂质能级，降低器件的稳定性，因此ITO基片在使用之前必须仔细清洗，以彻底清除基片表面的污染物。在实验室中，首先将ITO玻璃进行刻蚀，得到我们需要的形状，我们将胶条贴到ITO玻璃上，放入盐酸中浸泡10分钟，然后取出，用清水将表面的盐酸冲洗干净，然后揭去胶条，用清洁剂反复擦洗数次。其次，分别将刻蚀好的ITO 玻璃放入去离子水，丙酮，异丙醇，乙醇溶剂中进行超声处理，最后再用去离子水超声处理一次。这样就去除了ITO玻璃表面的大部分灰尘、锈斑、油脂等污染物。玻璃清洗干净后，可用N2气将玻璃表面吹干，这样可以减少空气中灰尘和杂质对ITO表面的影响，也可将ITO玻璃放入玻璃皿中，再移入烘箱烘干。最后将处理好的ITO基片移入手套箱中。

在1500转/分的转速下，将PEDOT:PSS溶液滴附在ITO基片上形成均匀的薄膜。成膜后，将其放在在真空烘箱中在80℃的温度下干燥15min，去除薄膜中的水分和其它溶剂。膜层厚度与溶液本身粘度和旋转速度有关，膜厚一般与溶液粘度成正比，与转速平方根成反比。对于相同的材料，在相同的旋涂条件下成膜，膜层厚度基本保持不变，具有很好的重现性。经过测试，本文中所制器件PEDOT:PSS层旋涂厚度为50nm左右。配制好的活性层溶液用同样的方法旋涂制模。旋涂好有机活性层之后样品要在烘箱中进行退火处理。

旋涂是最早的一种薄膜制造工艺[32]，也是目前被广泛采用的一种湿法成膜方式。具

第2章ZnO对有机聚合物太阳能电池性能的影响研究

有可溶性的聚合物且溶液粘度适当的有机半导体材料均可以用旋涂方法制膜。本文中空穴传输层材料PEDOT:PSS和活性层材料均采用旋涂法制模。旋涂方式制模设备成本较低，但是原料使用效率较低，99%以上的材料被浪费掉了。同时，旋涂法无法大面积制模，最重要的是无法实现图案化，因此，这一工艺目前只在实验室中被广泛使用。

在实验中，真空镀膜机与手套箱有通道相连，保证了在实验过程中环境的清洁，防止了空气中的水、氧及灰尘对器件的影响。将旋涂了空穴传输层PEDOT:PSS和有机活性层的ITO基片放入托盘，由通道送入手套箱，首先蒸镀太阳能电池器件中电子传输层或空穴阻挡层材料，真空蒸发镀膜系统的真空度可达到10-5Pa，在蒸发电子传输材料时系统的真空度应维持在4x10-4Pa。首先将电子传输层材料置于蒸发舟内，控制热蒸发源的温度，使电子传输层的材料气化并蒸发。需要蒸镀的样品位于热蒸发源上方，每个样品下都有单独的掩模板，这样就可以得到不同的电子传输层薄膜形状，在蒸镀过程中，保持匀速转动，保证率成膜的均匀性。薄膜的厚度是由FTM膜厚监控仪进行监视控制。

电子传输层蒸镀完成后，通过改变样品下的掩模板，同样的方法蒸镀阴极，实验中阴极材料选用的是功函数较低的金属铝，纯度可达到4个9。蒸镀铝时，是把铝丝挂在钨丝上进行蒸发的，通过调节钨丝的温度来控制铝丝的蒸发速率，一般控制在5nm/s左右，最终的蒸镀膜厚为150nm。

将蒸镀完电子传输层和阴极的样品由连接通道送回手套箱，器件的封装是在手套箱中完成的。所用材料为PET膜和封装胶。按实验中所制备的有机太阳能电池的面积，将PET和封装膜裁剪为合适的大小，温度设定为130℃，时间设定为40s。温度设定不能过高，否则会损毁太阳能电池样品或影响其性能，也不能过低，那样就会造成封装膜不能完全熔化开，起不到封装的效果。

2.4 结果与讨论

2.4.1 不同退火温度影响电池性能

我们共制作了三个结构相同的器件，具体结构为：ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al，不同之处在于分别在不同的温度下进行退火，温度分别为110、130和150℃，时间均为5分钟，来探索其对有机太阳能电池能量转换效率的影响。本文实验中所用仪器为AM1.5的模拟太阳光源（100W氙灯）和Keithley2400。在室温条件下，模拟太阳光源从光电池阳极入射。测量聚合物太阳能电池I-V曲线过程示意图如图2.3。氙灯产生的光对样品进

河北大学理学硕士学位论文

行照射，光照强度用光功率计进行标定，光照强度为100mw/cm2。通过测试，可得到聚合物太阳能电池的I-V特性曲线。

图2.3 聚合物太阳能电池器件的

将三组数据进行处理，得到短路电流和开路电压，从而得出能量转换效率及填充因子的值。详见表

表2-1 不同退火温度太阳能电池器件的性能

器件退火温度

（℃）

Voc（V）Jsc（mA/cm2）FF（%） η（/%）

A 110 0. 58 7. 6 42. 7 1. 88

B 130 0. 6 9. 83 44. 9 2. 65

C 150 0. 6 6. 49 35. 5 2. 24

如表2-1所示，电池A活性层110 ℃退火5分钟，Voc=0. 58 V，Jsc=7. 60 mA/cm2，FF（填充因子）=42. 7%，η=1. 88%；当用130 ℃退火时，电池B的开路电压没有大的变化Voc=0. 60 V，短路电流Jsc提高了29.4%，Jsc=9. 83 mA/cm2，FF也提高到44. 9%，从而转换效率达到2. 65%；但是当退火温度提高到150摄氏度时，器件C的J

sc

反而下降到6.49 mA/cm2，FF=35. 5 %，效率相比电池B下降了18. 3%. 从以上数据分析试验中发

现，开路电压方面，虽然不同的退火温度，但是V

oc

大约都为0.6 V。器件的I-V曲线如图2.4所示。 这是由于开路电压主要取决于电子给体HOMO和电子受体LUMO. 短路电流方面，在130 ℃退火时达到最大. 主要是因为130 ℃退火时，氯苯溶剂挥发速率适当，一方面聚合物P3HT结晶度高、相分离较好；另一方面优化活性层薄膜形态，构成较好的

有机太阳能电池简介

有机太阳能电池简介 随着社会的发展，能源危机在近几十年变得越来越突出，传统的化石能源有着随时枯竭的危险，同时化石能源的使用造成的环境污染也越来越突出。在此背景之下，寻找可代替的新能源成为当下研究的热点，而在众多备选的替代者中，太阳能电池由于其清洁性，可持续性等优点得到了大量的关注。 在1954年贝尔实验室制作了光电转化效率达6%的太阳能电池,标志着商业化太阳能电池研究的开始。到20世纪70年代,用于卫星的半导体硅太阳能的光电转化效率已达到15%～20%。但硅系列太阳能电池材料纯度要求很高且制作工艺复杂,因此成本高,难以大规模生产。其它类型半导体材料的太阳能电池因存在材料来源及工艺等问题也同样难以得到推广。而有机太阳能电池以其材料来源广泛、制作成本低、耗能少、可弯曲、易于大规模生产等突出优势显示了其巨大开发潜力,成为近十几年来国内外各高校及科研单位研究的热点。但有机太阳能电池从其诞生以来，一直面临着效率低下的问题，至今为止，在实验室内的效率才刚刚突破10%，与硅太阳能电池相距甚远，因此提高电池效率是有机太阳能电池的主要研究方向。 一．有机太阳能电池原理及构造 1有机太阳能电池的光生电原理 对于一个有机OPV(有机太阳能电池)，其基本原理就是利用光电材料的光生伏特效应产生电流，其基本的物理过程如图一所示。不同于无机材料能直接吸收光子产生自由电子，有机光敏材料在吸收光子之后会产生一个激子对，即电子空穴对，必须使激子解离之后才能形成光电流。而解离产生的电子必须到达电极才能对器件的光电流产生贡献。也就是说，产生光电流需要经过吸收光子，产生激子，激子解离扩散，电极收集这些过程，这一过程相比较无机材料要困难的多，这也造成OPV的光电转化效率一直不高。

文献综述 ——GaAsSb热光伏电池

文献综述 ——GaAsSb热光伏电池开路电的优化仿真分析 1. 引言 1.1 热光伏技术 当前，能源问题已经越来越成为制约人类社会进步和发展的阻力，而现在大规模使用的化石能源，由于其不可再生和对环境的高污染性，使得开发可持续的绿色能源已经是迫在眉睫。作为一种新颖的能源利用方法，热光伏电池（thermophotovoltaic，TPV）的研究始于上世纪60年代，但是由于当时理论和工艺水平的限制，直到90年代末开始才又重新引起了人们的重视。 相比较于太阳能光伏电池，热光伏电池系统首先是具有较高的系统效率和输出能量密度，这主要因为热光伏电池后端的光伏电池的带宽能量要小一些，这样在同等的温度条件下，系统的效率和能量密度会比较高。另外，热光伏电池系统中热发射源离后端光伏电池的距离也相对于太阳能光伏电池离太阳的距离要近得多，所以这样就减少了能量在传播路径上的传递损失，而增大了能量利用的效率。另外，热光伏电池系统的噪音也比较低，并且没有移动的部件，因而可以便携使用。还有，热光伏电池系统的热源也很广泛，除过常规的太阳能外，各种工业废热、余热以及附加热等都可以作为热光伏电池系统的热量来源[1]，所以热光伏电池系统的性能受天气和环境的影响不大。近年来，随着微细加工技术的发展，人们有可能去制造微型的热光伏电池系统去取代传统的化学电池作为工业和科技界的能源，因而热光伏电池系统必将是未来微型电力系统研究的重点方向之一。 一般来讲，热光伏电池系统就是一种通过光伏电池把热辐射源辐射的热能转化成电能的静态能量转换器件[2]。典型的热光伏电池系统包括一个前端的热辐射源，一个后端的光伏电池和位于它们之间的光谱控制元件，如光谱滤波器等。 整个热光伏电池系统的工作原理是：首先是热源的热量直接加到热辐射源上，然后热辐射源辐射出的能量到达滤波片，接着滤波片过滤掉能量小于PV 电池带宽能量的低能光子，而使得大于PV电池带宽能量的高能光子到达PV电池，最后PV电池由于光生伏特效应产生光生电子，而电子以电流的方式输出到外电路作为电源使用[3]。由于滤波片不可能是理想的，所以那些到达PV电池的不能产生电子的低能光子的能量将作为热损耗损失掉。

(完整版)量子点太阳能电池简介

量子点太阳能电池简介 摘要：量子点太阳能电池是第三代太阳能电池，也是目前最尖端、最新的太阳能电池之一，这种电池在使用半导体材料的普通太阳能电池之中，引入了纳米技术与量子力学理论，尽管目前尚没有制作出这种超高转换效率的实用化太阳能电池，但是大量的理论计算和实验研究已经证实，量子点太阳能电池将会在未来的太阳能转换中显示出巨大的发展前景。简述了量子点太阳能电池的物理机理及研究内容。 关键词：量子点，太阳能电池，机理 随着人类面临的环境与能源问题的持续恶化，加强环境保护和开发清洁能源是人类高度关注的焦点。因此，近年来人们对太阳能开发和利用的研究进展极为迅速。作为一种重要的光电能量转换器件，太阳能电池的研究一直受到人们的热切关注。 太阳能电池可以分为两大类：一类是基于半导体p-n结中载流子输运过程的无机固态太阳能电池；另一类则是基于有机分子材料中光电子化学过程的光电化学太阳能电池。单晶GaAs太阳能电池、晶体Si太阳能电池和Si基薄膜太阳能电池属于第一类，而染料敏化太阳能电池和聚合物太阳能电池属于第二类。第一类太阳能电池已经产业化或商业化，而第二类太阳能电池正处于研究与开发之中。目前太阳能电池存在能耗高、光电转换效率低等缺点。尽管人们已采用各种方法使太阳能电池的转换效率得到了一定改善，但尚不能使其大幅度提高。找到一种更有效的途径或对策，使太阳能电池的实际能量转换效率接近其理论预测值，成为材料物理、光伏器件与能源科学的一项重大课题。 量子点是指三维方向尺寸均小于相应物质块体材料激子的德布罗意波长的纳米结构。理论研究指出，采用具有显著量子限制效应和分立光谱特性的量子点作为有源区设计和制作的量子点太阳能电池，可以使其能量转换效率获得超乎寻常的提高，其极限值可以达到66％左右，而目前太阳能电池的主流晶体硅技术的光电转换效率理论上最多仅为30％。尽管目前尚没有制作出这种超高转换效率的实用化太阳能电池，但是大量的理论计算和实验研究已经证实，量子点太阳能电池将会在未来的太阳能转换中显示出巨大的发展前景。 1 量子点太阳能电池的物理机理 人们针对太阳能电池存在的能耗高、光电转换率低等缺点，提出了三套解决方案[1]：1）增加带隙数量，制作多带隙叠层太阳能电池；2）热载流子冷却前进行俘获；3）一个高能光子产生多个电子空穴对或者多个低能光子产生一个高能电子空穴对。目前，方案1已经得到实际应用，后两套方案基于量子点产生的量子限制效应正处于研究之中。 半导体量子点太阳能电池作为第三代太阳能电池具有潜在的优势，它通过以下两个效应可以大大增加光电转换效率：第一个效应是来自具有充足能量的单光子激发产生多激子；第二个效应是在带隙里形成中间带，可以有多个带隙起作用，来产生电子空穴对。这两个效应的产生是因为量子点中的能级量子化。能级量子化还会产生其它效应：减缓热电子-空穴对的冷却；提高电荷载流子之间的俄歇复合过程和库仑耦合；并且对于三维限制的载流子，动量不再是一个好量子数，跃迁过程不必满足动量守恒。提高转换效率的两种基本的方式(增加光电压或者增加光电流)理论上在三维量子点太阳能电池的结构中能够实现。 1.1 量子点多激子太阳能电池的机理

有机太阳能电池实验报告

有机太阳能电池实验报告 实验项目名称P3HT-PC61BM 体异质结聚合物太阳能 电池器件制作与性能测试 实验日期 指导老师 实验者 学号 专业班级 第一部分:实验预习报告 一、实验目的 通过在实验室现场制作P3HT-PC61BM 聚合物体异质结太阳能电池器件以及开展电池性能测试,了解有机太阳能电池的制作工艺与流程,熟悉相关的加工处理与分析测试设备工作原理与使用方法,加深对有机太阳能电池的感性认识,提高学生的实际操作能力,培养学生对科学研究的兴趣。 二、实验仪器 电子分析天平、加热磁力搅拌器、超声仪、紫外臭氧清洗系统、旋涂仪、 惰性气体操作系统、真空蒸镀系统、太阳光模拟器、数字源表、台阶仪 三、实验要求 1、严格按照实验室要求与规范开展实验,未经允许不得随意触摸或按动设备开关或按钮以及设备控制系统。 2、实验期间保持室内安静,保持实验室内清洁卫生。 3、熟悉有机太阳能电池加工与测试相关设备、原理与方法。 四、实验内容与实验步骤 1.聚合物体异质结加工溶液的配制(活性层P3HT:PCBM 溶液的配制) 在手套箱外称取所需的P3HT 5、6mg 与PCBM 5、6mg,混合好装入带有磁子的5mL 瓶子中,转移到手套箱中;用一次性注射器吸取0、33mL oDCB(邻二氯苯)溶剂,配成17mg mL-1的溶液,放到加热台(加热台需要 5 分钟的稳定时间)上,设置温度为85℃,搅拌1h 后,冷却至室温待用。 2.导电玻璃表面清洁与处理。 A.首先确认ITO 面,用万用电表(打到Ω档)测试其表面电阻,有电阻的一面为ITO,在其反面的边缘处刻‘上’字(见下图)。将ITO 依次放到去离子水、丙酮与异丙醇中超声清洗10 分钟。每次超声完毕,用镊子取出ITO,用同样的溶剂反复冲洗两面三次,之后用氮气枪迅速吹干,立刻放到盛有下一种溶剂的容器中清洗。最后将用氮气枪吹干的ITO 转移到六孔板中转移至紫外/臭氧清洗机(操作详见其说明)中,将ITO面朝上,表面清洁处理10 分钟后,将ITO 取出并置于六孔板中待旋涂PEDOT:PSS(ITO 面朝下)。

有机太阳能电池

2 有机太阳能电池综述 2.1有机太阳能电池材料简述 对于有机太阳能电池材料可以简单地分为两类，一类是小分子材料，另一类是聚合物材料。严谨一些的分法可以大致分为以下五类：⑴有机小分子化合物； ⑵有机大分子化合物；⑶D-A二元体系；⑷模拟叶绿素分子结构材料；⑸有机无机杂化体系。但鉴于本论文的工作内容和研究深度，在这里只对前面简单分类作主要介绍。 2.1.1小分子材料 有机小分子光电转换材料大部分是一些含共轭体系的染料分子，它们能够很好地吸收可见光从而表现出很好的光电转换性质。它们具有化合物结构可设计性、材料质量轻、生产成本低、加工性能好、便于制备大面积太阳能电池等优点。主要的小分子材料有酞菁[3]、卟啉[4-6]和苝菁[7，8]等，现简单介绍如下：酞菁类化合物是典型的p型有机半导体，具有离域的平面大π键，600~800nm 的光谱区域内有较大吸收。其合成已经工业化，是太阳能电池中很受重视、研究得最多的一类材料。这几十年来，人们主要研究了从金属酞菁在金属电极尤其是铂电极上的光电效应，探讨了如中心金属离子、掺杂及环境气氛等影响金属酞菁光伏效应的多种因素，到金属酞菁在无机半导体如ZnO、CdS、SnO2等上面的光伏效应。 卟啉由4个吡咯环通过亚甲基相连形成的具有18个π电子的共轭大环化合物，其中心的氮原子与金属原子配位形成金属卟啉衍生物。卟啉和金属卟啉都是高熔点的深色固体，多数不溶于水和碱，但能溶于无机酸，溶液有荧光，有非常好的光、热稳定性。卟啉体系最显著的化学特性是其易与金属离子生成1:1配合物，卟啉与元素周期表中各类金属元素（包括稀土金属元素）的配合物都已经得到。 苝属于n型半导体材料，其吸收范围在500nm左右，其在可见光区有强吸收。单线态电子从染料注入半导体的导带的速度通常比三线态快。菁染料是一种双极性分子，属p型半导体，是良好的光导体，在溶液中具有良好的溶解度。在光激发下，份菁分子的电荷分离效率较高。不过，菁染料存在稳定性差的缺陷。 此外，其它有机小分子材料还有：方酸类化合物[9,10]、罗丹明、并四苯等。

有机太阳能电池

有机太阳能电池 摘要有机太阳能电池因具有成本低、质轻、柔韧性好、可大面积印刷制备的优点而受到广泛关注，对电池原理，结构，材料的研究对提高有机太阳能电池的性能有重大意义。本文主要综述了有机太阳能电池的工作原理，电池结构以及电极材料。并对有机太阳能电池的应用前景做了展望。 关键词原理；结构；材料；应用前景 1.有机太阳能电池简介 有机太阳能电池，顾名思义，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。主要是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, 实现太阳能发电的效果.由于无机硅太阳能电池的材料生产成本高，污染大、能耗高，寻找新型太阳能电池材料和低成本制造技术便成为人们研究太阳能电池技术的目标。有机太阳能材料和电池制备技术有望成为低成本制造的选择之一。 世界上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。1986年，行业内出现了一个里程碑式的突破——有机半导体的发明。器件的核心结构是由四羧基苝的一种衍生物（PV）和铜酞菁（CuPc）组成的双层膜。双层膜的本质是一个异质结，其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。1992年，土耳其人Sariciftci在美国发现，激发态的电子能极快地从有机半导体分子注入到C60分子中，而反向的过程却要慢得多。1993年，Sariciftci在此发现的基础上制成PPV/C60双层膜异质结太阳能电池。随后，研究人员在此类太阳能电池的基础上又提出了一个重要的概念：混合异质结（体异质结）。而所谓“混合异质结”，就是将给体材料和受体材料混合起来，通过共蒸或者旋涂的方法制成一种混合薄膜。给体和受体在混合膜里形成一个个单一组成的区域，在任何

有机聚合物太阳能电池中二元和三元组分给体- 受体(D-A)型聚合物的性能研究

Material Sciences 材料科学, 2018, 8(1), 1-10 Published Online January 2018 in Hans. https://www.wendangku.net/doc/7a5745161.html,/journal/ms https://https://www.wendangku.net/doc/7a5745161.html,/10.12677/ms.2018.81001 Comparative Investigation of Binary and Ternary Donor-Acceptor Conjugated Polymer for Photovoltaic Application Xuejiao Wang1, Weijuan Xu1, Jianjun Wang1, Jianyu Yuan2 1Department of Materials Science and Engineering, College of Chemistry, Chemical Engineering and Materials Science, Soochow University, Suzhou Jiangsu 2Jiangsu Key Laboratory for Carbon-Based Functional Materials & Devices, Institute of Functional Nano & Soft Materials (FUNSOM), Soochow University, Suzhou Jiangsu Received: Dec. 4th, 2017; accepted: Dec. 21st, 2017; published: Jan. 4th, 2018 Abstract Narrow band gap D-A conjugated polymer P1 and D1-A-D2-A ternary conjugated polymer P2 with regioregular backbone structure were designed and synthesized. By precisely controlling the ar-rangement of the third building block, the polymer properties can be comprehensively and deli-cately tuned, resulting in more balanced optical bandgap and highest occupied molecular orbital (HOMO) energy levels, planar structure and strong intermolecular packing. Here, the influence of third unit on material microcosmic and macrocosmic properties was examined exclusively. By using [70]PCBM as the electron acceptor, the optimized polymer solar cells without any additive demonstrated an increased open circuit voltage (V oc), short-circuit current density (J sc) and fill factor (FF) in ternary polymer P2 based device, and a best PCE of 5%, which is significantly en-hanced in comparison with D-A polymer P1 based device. Our results highlight the importance of ternary molecular designing strategy and may achieve control of desirable device properties by optimizing molecular structure in the future. Keywords Ternary Conjugated Polymers, Polymer Solar Cells, Morphology 有机聚合物太阳能电池中二元和三元组分给体-受体(D-A)型聚合物的性能研究 王雪娇1，徐炜娟1，王建军1，袁建宇2 1苏州大学材料与化学化工学部，江苏苏州

有机太阳能电池研究进展(1)

专题介绍 有机太阳能电池研究进展 X 林　鹏,张志峰,熊德平,张梦欣,王　丽 (北京交通大学光电子技术研究所,信息存储、显示与材料开放实验室,北京,100044) 摘　要:有机太阳能电池与无机太阳能电池相比,还存在许多关键性问题。为了改善有机太阳能电池的性能,各种研究工作正在进行,这些研究主要是为了寻找新的材料,优化器件结构。对电池原理、部分表征方法、效率损失机制、典型器件结构、最近的发展、以及未来的发展趋势作了简要描述。 关键词:有机太阳能电池;器件结构;给体;受体;转换效率 中图分类号:T N 383 文献标识码:A 文章编号:1005-488X(2004)01-0055-06 Progres s in Study of Organic Sola r Ce ll LIN Peng ,ZHANG Zhi -feng ,XIONG De -ping ,ZHANG Meng -xin ,WANG Li (I nstitute of O p toelectronics T echnology ,Beij ing J iaotong University ,Beijing ,100044,China )Abstr act :Compaer ed with inorganic solar cells ,organic solar cells still have many critical pr oblems.In order to improve the properties of organic solar cells,a lot of different studies have been carried on.T he main purposes of these studies are to seek new mater ials and new device structure.A brief review of the theory of photovoltaic cells,along with some aspects of their characterization ,the basic efficiency loss mechanism ,typical device structures ,and the trends in research will be presented. Key wor ds :organic photovoltaic cell;device structure;donor;acceptor ;conversion effi-ciency 前　言 进入21世纪以来,由于煤、石油、天然气等自然资源有限,已经不能满足人类发展的需要。环境污染也已经成为亟待解决的严重问题。同使用矿物燃料发电相比,太阳能发电有着不可比拟的优点。 太阳能取之不尽,太阳几分钟射向地球的能量相当 于人类一年所耗用的能量。太阳能的利用已经开始逐年增长。但目前使用的硅等太阳能电池材料,因成本太高,只能在一些特殊的场合如卫星供电、边远地区通信塔等使用。目前太阳能发电量只相当于全球总发电量的0.04%。要使太阳能发电得到大规模推广,就必须降低太阳能电池材料的成本,或 第24卷第1期2004年3月 光　电　子　技　术OPT OELECT RONIC T ECHNOLOGY Vol.24No.1 Mar.2004 　 X 收稿日期:2003-11-17 作者简介:林　鹏(1978-),男,硕士生。主要从事光电子技术研究。 张志峰(1977-),男,硕士生。主要从事有机电致发光(OLED)的研究工作。熊德平(1975-),男,硕士生。主要从事无机半导体材料方面的研究工作。

异质结太阳能电池综述

异质结太阳能电池研究现状 一、引言： 进入21世纪，传统的化石能源正面临枯竭，人们越来越认识到寻求可再生能源的迫切性。据《中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书统计，传统化石能源随着人们的不断开发已经趋于枯竭的边缘，各种能源都只能用很短的时间，石油：42年，天然气：67年，煤：200年。而且，由于大量过度使用这些能源所造成的环境污染问题也日益严重，每年排放的二氧化碳达210万吨，并呈上升趋势，二氧化碳的过度排放是造成全球气候变暖的罪魁祸首；空气中大量二氧化碳、粉尘含量已严重影响人们的身体健康和人类赖以生存的自然环境。正是因为这些问题的存在，人们需要一种储量丰富的洁净能源来代替石油等传统化石能源。而太阳能作为一种可再生能源正符合这一要求。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，若把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量就可达5.6×1012千瓦小

时。而我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年1700亿吨标准煤，太阳能资源开发利用的前景非常广阔。在太阳能的有效利用中,太阳能光电利用是近些年来发展最快,最具活力的研究领域,是其中最受瞩目的项目之一。太阳能电池的研制和开发日益得到重视。本文简要地综述了各种异质结太阳能电池的种类及其国内外的研究现状。 二、国外异质结太阳能电池 1、TCO/TiO2/P3HT/Au三明治式结构的p-n异质结的太阳能电池 2005年5月份，Kohshin Takahashi等发表了TCO/TiO2/P3HT/Au三明治式结构的p-n异质结的太阳能电池，电池结构如图1。 图1 ITO/PEDOT:PSS/CuPc/PTCBI/Al结构太阳能电池 简图 图2 TCO/TiO2/P3HT/Au电池结构示意图 同时采用了卟啉作为敏化剂吸收光子，产生的电子注入

有机太阳能电池原理及其前景展望

电子信息学院 《太阳能电池》 结业论文 有机太阳能电池原理及其前景展望

班级 姓名 学号 指导教师 日期2015.10

有机太阳能电池原理及其前景展望 *** （***） 摘要：俗话说，万物生长靠太阳，地球上的风能、水能、生物质能等等都来自于太阳；即使是化石燃料（如煤炭、石油、天然气等），从根本上说也是来自于太阳。如今，这些远古时期留下来的不可再生资源面临着枯竭的命运，如何寻找新的可替代能源成为当务之急，而太阳能以其清洁环保、资源丰富的特点成为其中一个选择，其中有机太阳能电池是实现将太阳能直接转变为电能的最有前景的器件之一。介绍了有机太阳能电池的基本原理，并对其应用前景做出了展望分析。 关键词：有机太阳能电池；原理；结构；转换效率；缺陷；优势 中图分类号：TM914.4文献标识码：A The Principle of Organic Solar Cells and its prospect *** (***) Abstract:As the saying goes, all living things depend on the sun for their growth, and on earth, wind, water, and biomass energy and so on from the sun;Even (fossil fuels such as coal, oil, natural gas, etc.), basically is from the sun.Today, the non-renewable resources of ancient times to stay face the fate of dried up, how to look for new alternative energy become priority, and the characteristics of solar energy with its clean environmental protection, resources become one of the options, including organic solar cells is the realization of the solar energy directly into electrical energy one of the most promising devices.This paper introduces the basic principle of organic solar cells, and to the analysis and outlook of its application prospect. Key words:organic solar cells;principle;structures;transfer efficiency;defect;superiority 0引言 现今能源问题是世界各国经济发展的首要问题，太阳能是未来最有希望的能源之一[1]，

有机太阳能电池报告

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

太阳能电池关于温度的综述

关于硅和砷化镓太阳能电池组件在热性能方面的综述 摘要： 本综述总结了近年来在结晶和非晶硅太阳能电池组件领域获得的温度性能。它给出了一个通用的结果分析和评论的应用程序构建集成光伏(PV)热系统,将光能转化成电能,热能等。空气冷却和水冷却以及“混合式”光伏热太阳能收集器也被提及到。本文还包括非晶硅太阳能模块在塑料薄膜,薄膜太阳能电池等方面的灵活应用以及对将来这方面的展望。其主要包括对光伏模块传热机制的实验结果的分析。 关键词：太阳能电池;光伏；太阳能;能量转换;混合系统 目录 1.介绍﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒4０8 1．１．太阳能电池早期研究的回顾﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒408 １.2.半导体硅和砷化镓的温度上限﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒41０ 2.高温太阳能电池和组件的影响：理论背景﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒4１1 2．1.热对硅太阳能电池的输出参数的影响﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒4１

１ ２.2.硅太阳能电池的温度系数﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒411 ２.2.1.短路电流﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒4１1 2.２.2.暗电流﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒41２ 2．2.3.开路电压﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒412 2.2.４．输出功率﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒４１２ 2.3．照明光源对输出参数的影响﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒4 １3 3．光伏热电混合太阳能系统﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒ 4１3 ３．1．空气冷却﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒4１4 3．2.水冷却﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒41４ ３.２.1.冷却组件中的输出温度﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒﹒

能源产业中的高分子之聚合物太阳能电池

能源产业中的高分子之聚合物太阳能电池 刘大柯 摘要由于环境污染和能源危机日益加重，太阳能在能源产业中异军突起，成为能源领域的新星。太阳能是一种理想的新能源，清洁、干净、无污染，其储量巨大，取之不尽，用之不竭，充满了诱人的前景。将太阳能转换为电能是解决环境污染和能源危机的重要途径之一，因此各类太阳能电池的研发和推广在世界各国备受关注。在目前商品化的太阳能电池市场中，尽管无机晶体硅太阳能电池占据主导地位，但聚合物太阳能电池因其独特的优势已成为太阳能电池研发的重要方向之一。柔性聚合物太阳能电池具有质轻、制作工艺简单、成本低等特点，现已成为近年太阳能利用方面研究的热点。有机太阳能电池是实现将太阳能直接转变为电能的最有前景的器件之一。文章综述了聚合物太阳能电池的基本原理,器件构型，电池材料及制备工艺，最后对柔性光伏器件的应用前景和商业化趋势进行了展望。 关键词能源聚合物太阳能电池工作原理给体受体 0.引言 新世纪以来，随着我国国民经济的快速发展，能源消费总量也在急速增长2011年我国能源消费总量已达34.8×108t标准煤[1]，与美国相当。。庞大的能源消费总量给我国的“能源安全供应体系”和“环境保护工作”带来了沉重的压力。一方面，由于自有能源不能满足消费需求，我国有大量能源需要从国外进口，据海关总署统计，2011年我国石油和煤炭的进口量分别达到2.53×108t和1.82×108t[2]，能源供应的整体“对外依存度”较高。另一方面，在我国能源消费结构中，近90%是传统化石能源[3]。这些化石能源在燃烧利用过程中向大气层及自然环境排放大量的温室气体、有毒有害物质和粉尘，严重影响了人们的生命安全和健康。当前，探索和开发其他新兴能源利用方式，解决日益严重的能源短缺和环境污染等问题，成为我国社会各界共同关注的话题。 在诸多新兴能源利用方式中，太阳能光伏发电被认为是最有前途的方式之一。然而目前占主导地位的光伏技术主要基于无机硅材料，其高昂的材料制备成本以及高能耗的加工工艺限制了它的广泛应用，并且其生产过程中的产生的大量副产物四氯化硅对于环境污染极大。聚合物太阳能电池制造成本低廉、材料质量轻、加工性能好，可以利用先进的卷对卷以及喷涂打印技术进行大规模生产，并具有柔性，可以加工成为半透明器件，易于携带，生产过程中能耗低，环境污染少[4]，因此其具有更加广阔的应用前景。

有机光电材料综述资料

有机小分子电致发光材料在OLED的发展与应用的综述电致发光(electroluminescence，EL)，指发光材料在电场的作用下，受到电流或电场激发而发光的现象，它是一个将电能直接转化为光能的一种发光过程。能够产生这种电致发光的物质有很多种，但目前研究较多而且已经达到实际应用水平的，主要还是无机半导体材料，无机 EL 器件的制作成本较高，制作工艺困难，发光效率低，发光颜色不易实现全色显示，而且由于很难实现大面积的平板显示，使得这种材料的进一步发展具有很严峻的局限性。由于现有的显示技术无法满足我们生产生活的需要，因此促使人们不断地寻求制备工艺成本更低、性能更好的发光材料。有机电致发光材料（organic light-emitting device，OLED）逐渐的进入了人们的视野，人们发现它是一种很有前途的、新型的发光器件。有机电致发光就是指有机材料在电流或电场的激发作用下发光的现象。根据所使用的有机材料的不同，我们将有机小分子发光材料制成的器件称为有机电致发光材料，即 OLED；而将高分子作为电致发光材料制成的器件称为高分子电致发光材料，即 PLED。不过，通常人们将两者笼统的简称为有机电致发光材料 OLED。 一.原理部分 与无机发光材料相比，有机电致发光材料具有很多优点：光程范围大、易得到蓝光、亮度大、效率高、驱动电压低、耗能少、制作工艺简单以及成本低。综上所述，有机电致发光材料在薄膜晶体管、

太阳能电池、非线性发光材料、聚合物发光二极管等方面存在巨大的需求，显示出广泛的应用前景，因而成为目前科学界和产业界十分热门的科研课题之一。虽然，世界上众多国家投入巨资致力于有机平板显示器件的研究与开发，但其产业化进程还远远低于人们的期望，主要原因是器件寿命短、效率低等。目前有很多关键问题没有解决：1. 光电材料分子结构、电子结构和电子能级与发光行为之间的关系，这是解决材料合成的可能性、调控材料发光颜色、色纯度、载流子平衡及能级匹配等关键问题的理论和实验依据； 2. 光电材料和器件的退化机制、器件结构与性能之间的关系、器件中的界面物理和界面工程等，这是提高器件稳定性和使用寿命的理论和实验基础，也是实现产业化、工业化的根本依据。 1.基态与激发态 “基态”在光物理和光化学中指的是分子的稳定态，即能量最低的状态。如果一个分子受到光或电的辐射使其能量达到一个更高的数值后，分子中的电子排布不完全遵从构造原理，这时这个分子即处于“激发态”，它的能量要高于基态。基态和激发态的不同并不仅仅在于能量的高低上，而是表现在多方多面，例如分子的构型、构象、极性、酸碱性等。在构型上主要表现在键长和二面角方面，与基态相比，激发态的一个电子从成键轨道或非成键轨道跃迁到反键轨道上，使得键长增长、键能级降低；同时，由于激发后共轭性也发生了变化，所以二面角即分子的平面性也发生了明显的改变。 2.吸收和发射

聚合物太阳能电池材料的研究进展

课程名称：高等物理化学 论文题目：聚合物太阳能电池材料的研究进展姓名：廉萌 学号：3112106006

聚合物太阳能电池材料的研究进展 摘要：聚合物太阳能电池由于成本低廉、轻薄、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。但是，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。影响材料转化效率的因素主要为带隙的控制与出载流子的传输性能。本文介绍了聚合物太阳能电池的工作原理，结构，以及目前常见的几类分子材料，并对其应用现状与前景进行了展示。 关键字：聚合物太阳能电池工作原理结构受体材料给体材料 1.引言 有机太阳能电池，又称有机光伏电池。它是以有机半导体材料作为实现光电转化效应材料的太阳能电池。有机太阳能电池与无机太阳能电池的载流子产生过程不同。有机半导体材料吸收光子产生激子，激子再离解成自由载流子从而产生光电流。一般认为，有机太阳能电池的作用过程由三部分组成：（1）光激发产生激子；（2）激子再给体-受体界面解离；（3）电子和空穴的迁移及其在各自电极的收集，形成电流。其器件的结构图如图1所示： 图1-聚合物太阳能电池结构 从效率上看，目前的无机太阳能电池虽然早已达到应用标准，实现了产业化，但是发电成本高居不下，

因此限制了大规模推广。有机太阳能电池的出现将在不久的将来改变这一现象。因为能够在多种材质表面印制的有机太阳能电池不仅生产成本低，而且有机材料容易制成薄膜，甚至可以将有机薄膜制备在弯曲，乃至可折叠的基片上，便于制作成各种形状。制作方法简单，如可用涂布、喷墨打印等加工技术来制备。有机太阳能电池可广泛应用于通信、建筑、交通、照明等领域。例如用作手机太阳能充电电池；或直接贴在建筑物玻璃幕墙上，用于室内供电；甚至可以装在商店和居室户外的遮阳卷帘棚上，既可以遮阳，又可以供电。用于有机太阳能电池的有机半导体材料的另一个优点就是具有高的吸光效率。且吸收波长范围可通过分子结构的改变来调节，因此通常器件的活性层可以做到很薄，如约不到0.1μm的厚度即可达到光的完全吸收。这也是人们一直对有机分子材料寄予厚望的重要原因之一。 有机半导体材料的导电性能使其在制造薄型轻质电池、高分子聚合物电池方面有着极其广阔的应用前景。基于有机半导体材料的有机太阳能电池正在向能量转换效能的提升、器件寿命的延长及发展低成本制造技术的目标前进。一般认为，7%的转换效率是有机太阳能电池大规模商用的临界点。叠层型有机太阳能电池的理论转换效率高达15%。预计今后数年内，有机太阳能电池的能量转换效率可提高至10%以上，并将很快并大规模地进入商品化市场。如美国Konarka科技在德国法兰克福召开的有机半导体技术国际会议（OSC-08）上，该公司首席技术官ChristophBrabec介绍了正在开发之中的有机薄膜太阳能电池的前景，并乐观的表示“有机薄膜太阳能电池的电力转换效率达到20%不存在本质障碍”。 本综述将着重介绍有机聚合物光伏材料的研究进展。 2聚合物光伏材料 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。 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等用以主链含三苯胺的PAPPV 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39% ，目前以ZnO做电子受体的电池的最高能量转换效率为1.60% 。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，但由于半导体纳米晶在聚合物溶液中的分散性差、容易发生团聚,使得其能量转化效率还难以达到以PCBM 作为受体材料的器

聚合物太阳能电池综述

文献综述聚合物太阳能电池 一、前言 能源问题和环境问题一直是人类关注的重点。第一次工业革命以来，随着煤、石油等化石燃料的大规模应用，环境问题也日趋严重。在不可再生的化石燃料逐渐减少的今天，寻找更清洁环保的能源已是迫在眉睫。 太阳能以其清洁环保、储量丰富的特点可以很好地解决这些问题，而太阳能电池的研发与应用是关键的一点。无机太阳能电池经过几十年的发展已经很成熟了，能量转换效率大约达到了10% ~ 20%。然而，无机半导体电池也存在着一些缺点，比如：制备成本较高、制备能耗较大、工艺复杂[1]。 近年来，有机聚合物太阳能电池（PSC）开始受到关注，它具有很多优点：提高光谱吸收能力的途径有很多，提高物质载流子的传输能力并扩展光谱的吸收范围；容易加工，成膜性好；物理改性比较容易；工艺简单。这也说明了有机聚合物太阳能电池拥有光明的应用前景和发展空间。 二、聚合物太阳能电池简介 共轭聚合物太阳能电池是一种新型有机薄膜太阳能电池，它由共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受体的共混薄膜活性层夹在ITO 透明导电玻璃正极和低功函数金属负极之间所组成。下图图1-1是聚合物电池的结构示意图[2]。ITO（氧化铟锡）作为电池的透光正极，金属Al、Ca等其他金属作为电池负极，正极和负极之间有一层共混膜，厚度约100-200nm，是由给体和受体材料组成的活性层。聚合物PEDOT:PSS是一层修饰层，厚度约50nm，可以改善ITO电极的功涵和界面性质。

当光透过ITO电极照射到聚合物活性层上时，活性层中的给体材料吸收光子产生激子。激子随后迁移到聚合物受体/给体的界面上，其中的电子就转移到受体材料的LUMO能级上，空穴则在给体材料的HOMO能级上，光生电荷实现分离。 在电池势场作用下，被分离的空穴会沿着共聚物给体形成的通道传输到正极，而电子沿着受体传输至负极。空穴和电子分别传达到正极和负极后，就形 成了光电流和光电压，这就是聚合物太阳能电池所产生的光生伏打效应。大体 的光伏过程为：1．光的吸收；2．产生激子；3．激子发生迁移；4．激子的解离；5．载流子分开、迁移及收集。 三、窄带隙共轭聚合物 如何提高其光电转换率是目前研究的关键课题。制备窄带隙聚合物是解决转换效率低的一种方法。聚合物能带隙就是聚合物中HOMO能级与LUMO能级的能级差。一般来讲，窄带隙聚合物的能带隙小于 2.0eV，它可以吸收的光的波长大于等于620nm。 研究发现，D-A型窄带隙共轭聚合物能够有效提高能量转换效率，这种聚合物由给体单元（D）和受体单元（A）组成。改变其给体和受体单元，可以改变它的HOMO 和LUMO能级，以降低带隙，提高光电性能。D-A共聚物中因给体单元 和受体单元的推拉电子作用，使得聚合物的带隙变窄，从而极大地拓宽了聚合 物的吸收光谱。并且人们可以通过将不同的给体单元与不同的受体单元进行排 列组合，可以在较大的范围内精细地调控聚合物的吸收光谱[3]。 四、D-A共聚物设计要求 影响电池的能量转换效率（PCE）的因素有很多，比如光吸收区的吸收强度、电荷迁移速度、能带隙宽度和活性层的形貌特征等。 1.光吸收：在聚合物太阳能电池的激活区域，要有较强的光吸收。聚合物给体的带隙一般比较大，吸收光谱和太阳辐射光谱并不能较好匹配。我们需要聚合物在可见- 近红外区有宽的、强的吸收，这是提高PCE的重点。在设计聚合物的过程中，在支链上添加基团可以提高光子的吸收，共轭支链上添加上助色团，推、拉电子的基团，促使吸收向可见-近红外区偏移[4]。