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光电转化高分子材料聚合物太阳能电池组员：王霞、申燕燕、张瑞、陶升东、王朋12/28/202212/28/20221 1内容内容研究背景太阳能电池相关原理与性能参数设想参考资料12/28/202212/28/20222 2研究背景研究背景能源问题是人类面临的最现实问题。它不仅仅表能源问题是人类面临的最现实问题。它不仅仅表现在常规能源的不足，更重要的是化石能源的开现在常规能源的不足，更重要的是化石能源的开发利用带来的诸多环境问题。目前全球热点问题发利用带来的诸多环境问题。目前全球热点问题是如何迎接在能源短缺和环境保护双重制约条件是如何迎接在能源短缺和环境保护双重制约条件下实现经济和社会可持续发展的重大挑战。下实现经济和社会可持续发展的重大挑战。太阳能是可再生能源，是真正意义上的环保洁净太阳能是可再生能源，是真正意义上的环保洁净能源，其开发利用必将得到长足的发展，并终将能源，其开发利用必将得到长足的发展，并终将成为世界能源结构中的主导能源。太阳能的开发成为世界能源结构中的主导能源。太阳能的开发利用必将得到长足的发展，并终将成为世界能源利用必将得到长足的发展，并终将成为世界能源结构中的主导能源。结构中的主导能源。12/28/202212/28/20223 3太阳能电池的定义太阳能电池的定义太阳能电池是太阳能光伏发电的基础和核心，太阳能电池是太阳能光伏发电的基础和核心，是一种利用光生伏打效应把光能转变为电能的器是一种利用光生伏打效应把光能转变为电能的器件。用适当的光照在上边之后器件两端会产生电件。用适当的光照在上边之后器件两端会产生电动势。动势。典型的太阳电池是一个p-n结半导体二极管。p-n结的形成过程光生载流子电子空穴对的产生“光生电压”及“光生电流”的产生12/28/202212/28/20224 4p-n结“光生载流子”的产生光子把电子从价带(束缚)激发到导带(自由)，并在价带内留下一个/空穴(自由)产生了自由电子空穴对“光生电压”的产生自由电子和空穴扩散进入p-n结，n-p结作用下，分别在n区和p区形成电子和空穴的积累太阳电池12/28/202212/28/20225 5太阳能电池分类太阳能电池分类晶体硅太阳能电池非晶硅太阳能电池化合物半导体太阳能电池纳米晶化学太阳能电池有机聚合物太阳能电池传统太阳能电池12/28/202212/28/20226 6光电转换材料光电转换材料 光电转换材料是一种能将光通过一定的物光电转换材料是一种能将光通过一定的物理或化学方法变成电能的功能材料，是材理或化学方法变成电能的功能材料，是材料科学研究领域的一个热点。料科学研究领域的一个热点。光电转换材料最重要的用途是制作太阳能电池。硅太阳能电池 有机光电池成本昂贵、工艺复杂、材料要求苛刻。潜在的低成本、轻重量和分子水平的可设计性12/28/202212/28/20227 7有机有机/聚合物太阳能电池聚合物太阳能电池 聚合物太阳能电池一般由共轭聚合物给体和富勒烯衍生聚合物太阳能电池一般由共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受体的共混膜夹在物受体的共混膜夹在ITOITO透明正极和金属负极之间所组透明正极和金属负极之间所组成，具有结构和制备过程简单、成本低、重量轻、可制成，具有结构和制备过程简单、成本低、重量轻、可制备成柔性的器件等突出优点。近年来成为国内外研究热备成柔性的器件等突出优点。近年来成为国内外研究热点。点。结构规整的聚结构规整的聚(3-(3-己基己基)噻吩噻吩(P3HT)(P3HT)和可溶性和可溶性C60C60衍生物衍生物PCBMPCBM是最具代表性的给体和受体光伏材料。基于是最具代表性的给体和受体光伏材料。基于P3HT/PCBMP3HT/PCBM的光伏器件能量转换效率稳定达到的光伏器件能量转换效率稳定达到3.53.54.0%4.0%左右，使这一体系成为聚合物太阳能电池研究的标左右，使这一体系成为聚合物太阳能电池研究的标准体系。但准体系。但P3HT/PCBMP3HT/PCBM体系也存在电子能级匹配性不体系也存在电子能级匹配性不好（好（P3HTP3HT的的HOMOHOMO能级太高或者说能级太高或者说PCBMPCBM的的LUMOLUMO能级能级太低）的问题，这导致了器件的开路电压较低，只有太低）的问题，这导致了器件的开路电压较低，只有0.60.6V V左右，这限制了其能量转换效率的进一步提高。左右，这限制了其能量转换效率的进一步提高。12/28/202212/28/20228 8到目前为止，研究的光导电性高分子有下面几类：到目前为止，研究的光导电性高分子有下面几类：(1)(1)链中含有共轭键的聚合物，如聚乙炔、聚席链中含有共轭键的聚合物，如聚乙炔、聚席夫碱、聚多烯、聚硅烷等；夫碱、聚多烯、聚硅烷等；(2)(2)侧链或主链中含有稠合芳烃基的聚合物；侧链或主链中含有稠合芳烃基的聚合物；(3)(3)侧链或主链具有杂环的聚合物，如聚乙烯咔侧链或主链具有杂环的聚合物，如聚乙烯咔唑及其衍生物；唑及其衍生物；(4)(4)一些生物高分子及其类似物。其中，聚乙烯一些生物高分子及其类似物。其中，聚乙烯咔唑及衍生物是当今研究较多，应用开发较好的咔唑及衍生物是当今研究较多，应用开发较好的一类光电材料。一类光电材料。12/28/202212/28/20229 9激发态的能量转移：D*+AD+A*D*+AD+A*偶极-偶极能量转移（foster能量转移）D*AA*D12/28/202212/28/20221010电子交换能量转移（dexter能量转移）D*AA*D12/28/202212/28/20221111D+A*D+A-DA*A-D+12/28/202212/28/20221212激子太阳能器件就是基于不同材料之间的能量和电激子太阳能器件就是基于不同材料之间的能量和电子转移来实现太阳能到电能的转换的。子转移来实现太阳能到电能的转换的。12/28/202212/28/20221313 在聚合物太阳能电池中光电响应过程是在光敏层中产生的.共轭聚合物吸收光子以后并不直接产生可自由移动的电子和空穴,而产生具有正负偶极的激子(exciton).只有当这些激子被解离成可自由移动的载流子,并被相应的电极收集以后才能产生光伏效应.否则,由于激子所具有的高度可逆性,它们可通过发光、弛豫等方式重新回到基态,不产生光伏效应的电能.在没有外加电场的情况下,如何使光敏层产生的激子分离成自由载流子便成为聚合物太阳能电池正常工作的前提条件。光电响应原理光电响应原理12/28/202212/28/20221414离子分离离子分离 电子给体电子给体/受体方式是实现有机光伏电池中激子分离的受体方式是实现有机光伏电池中激子分离的有效途径有效途径.因此因此,光敏层至少要使用两种功能材料光敏层至少要使用两种功能材料(或或组分组分),),即电子给体即电子给体(donor(donor或或D)D)与电子受体与电子受体(acceptor(acceptor或或A)A)组成组成.目前目前DD相材料主要使用共轭聚合物相材料主要使用共轭聚合物,如如PPV,PPV,聚噻吩和聚芴的衍生物聚噻吩和聚芴的衍生物,但它们的能带间隙较高但它们的能带间隙较高.最近最近发展了低能带间隙的电子给体材料如噻吩、芴、吡嗪等发展了低能带间隙的电子给体材料如噻吩、芴、吡嗪等的共聚物的共聚物;而常用的而常用的AA相材料主要是有机受体相材料主要是有机受体C60C60及其及其衍生物衍生物,纳米纳米ZnO,CdSeZnO,CdSe等无机受体材料以及含有氰基等无机受体材料以及含有氰基等吸电子基团的共轭聚合物受体材料等吸电子基团的共轭聚合物受体材料.为了使激子过程为了使激子过程得以顺利进行得以顺利进行,要求所选用电子给体的最低空轨道要求所选用电子给体的最低空轨道(LUMO)(LUMO)能级比电子受体的能级比电子受体的LUMOLUMO能级稍高能级稍高,这样在能量这样在能量的驱动之下的驱动之下,电子由电子由DD相的相的LUMOLUMO转移到转移到AA相的相的LUMOLUMO上上.一般情况下一般情况下,D,D相的相的LUMOLUMO能级比能级比AA相的相的LUMOLUMO能级能级高高0.30.4eV0.30.4eV时就能使激子有效地分离成自由载流子。时就能使激子有效地分离成自由载流子。12/28/202212/28/20221515性能参数性能参数暗电流曲线是指太阳能电池在没有光照下的电压一电流(IV)曲线，测试方法与光电流一样，只是必须完全隔绝光线。测量暗电流的意义在于观测电池器件是否具有二极管特性，同时可以表征电池的整流效应，好的电池应该有比较高的整流比，也就是正向暗电流比反向暗电流高越多越好。12/28/202212/28/20221616光电流曲线即在一定光强的光照下，监测电池的电流电压记录成曲线。从电池的光电流曲线我们可以读出短路电流(Isc)(shortcircuitcurrent)和开路电压(Voc)(openCircuitvoltage)其中JSC=JL/(1+RS/RP)VOC=kT/qln(JL/JD)12/28/202212/28/20221717性能参数性能参数材料的性能是怎样表征的？将光电材料制成光电池 开路光电压：电路处于开路（电阻无穷大）时的电压，常用Voc表示；短路光电流：电路处于短路（电阻为零）时的电流密度，常用Jsc表示；12/28/202212/28/20221818填充因子填充因子(Fill Factor)填充因子是用来表示由于器件的电阻而导致的损失参数，其定义为最大输出电子能量值与开路电压短路电流乘积的比率：其中Pmax为光电流曲线第四象限电流与电压乘积最大值，此时对应的电流电压分别记作Imax，Umax。填充因子越大，即表示输出的最大功率(Pmax)越高，表明器件的能量转换效率越高。12/28/202212/28/20221919性能参数性能参数 光电转换外量子效率光电转换外量子效率：电极受光照后，外电路中电极受光照后，外电路中单位时间内产生的光电流的电子数 单位时间内吸收的光电子数目 =太阳能电池要具有良好的能量转换率，需要有更高的短路电流，开路电压和填充因子.12/28/202212/28/20222020设想设想高分子光电转换材料高分子光电转换材料倍受关注的高分子材料为P3HT，PCBM P P型半导体材料型半导体材料P3HTP3HT，是一种好的电子施主材料，与之前用的，是一种好的电子施主材料，与之前用的PPVPPV类材类材料相比，料相比，P3HTP3HT具有更低的能隙以利于对于太阳光长波段的吸收，同时具有更低的能隙以利于对于太阳光长波段的吸收，同时P3HTP3HT具有好的分子间序和更好的载流子迁移能力，尤其是空穴传输率可具有好的分子间序和更好的载流子迁移能力，尤其是空穴传输率可达达1010-2-2cmcm2 2v v-1-1s s-1-1，通过研究发现经过后期处理，通过研究发现经过后期处理(如退火和电场处理如退火和电场处理)可以可以更好地改善器件性能更好地改善器件性能PCBM是一种电子受主材料，是C60的一种衍生物，与C60相比PCBM的溶解性更好，同时具备C60类的优点(如有好的电子亲和势，透明性好和良好的电子传输性能)；但是由于C60对称性很高，使得C60PCBM最低能量转换在形式上表现为偶极禁阻，因此在可见光区域的光吸收系数很低，如果能用一种对称性比较低的富勒烯来代替它，光吸收程度将获得提高12/28/202212/28/20222121高分子光电转换材料高分子光电转换材料作为富勒烯类分子中最经典的分子C60，是一种芥末褐色的固体，在100温度下测得C60分子间距为03nm，分子间作用力很弱，是典型的分子晶体。它具有截角20面体的超高对称结构，由20个六边形和12个五边形组成，三十二面体的封闭笼形结构所有原子都是等价的，具有完美的结构对称性，三维共轭，活泼的化学反应性以及很强的电子亲和力和还原性。C60熔点很高，密度170gcm3，C60不溶于水和一般的有机溶剂，但可以溶于苯，甲苯和二硫化碳等溶剂，形成洋红色的溶液。12/28/202212/28/20222222C60的加入有利于改善电子受主(PCBM+C60)的LUMO(最低未占据轨道)能级。C60LUMO能级要高于PCBM的LUMO能级，而由于在电子施主受主体异质结太阳能电池中，器件的开路电压取决于有机层内施主分子HOMO(最高被占据轨道)能级与受主分子的LUMO能级之差，因此以PCBM、C60共掺P3HT光伏器件的开路电压要高于单纯使用PCBM进行掺杂。12/28/202212/28/20222323高分子光电转换材料高分子光电转换材料材料复合材料复合材料复合材料复合功能耦合功能耦合功能耦合功能耦合电子给体电子给体（D D）P3HTP3HT电子受体（电子受体（A A）PCBM/C6012/28/202212/28/20222424参考资料参考资料张华西，李瑛等张华西，李瑛等.化学研究与应用化学研究与应用.2004,16(2).2004,16(2)王正伟王正伟,李吉平等李吉平等.现代化工现代化工.2004,27.2004,27（2 2）陈荣陈荣.无机化学学报无机化学学报.2004,20.2004,20（7 7）黎立桂黎立桂,鲁广昊等鲁广昊等.科学通报。科学通报。2006,512006,51（2121）黄龙黄龙,许向东等许向东等.功能材料功能材料.2011,10.2011,10（4242）雷德生雷德生.北京交通大学硕士学位论文北京交通大学硕士学位论文.12/28/202212/28/20222525谢谢大家！12/28/202212/28/20222626