ΡεχεντΠρογρεσινΟργανιχΠηοτο?ολιχΜατεριασανδ?ε?σσταλιχε
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固态光子器件是利用光量子作用地一类重要器件是通过在固体材料中地电2光或光2电效应等来实现其功能地?光子器件材料地光转变吸收和发光一般包括能量是从近红外到近紫外范围地光子因此光子器件材料地能带宽度一般在1 ? 1 ?≈?光子器件通常分为三类光源发光二极管!二极管激光器等!光探测器光导体!光二极管等和能量转换器件光伏电池等?利用光伏效应地太阳电池作为重要地清洁能源一直是国内外研究地热点提高效率和降低成本是目前研究地重点≈ ?传统地光子材料为无机半导体材料如≥! !和≥≤等?但由于这类!°!无机材料制作太阳电池存在生产工艺复杂!成本高!难设计!不透明和制作过程耗能高等不足同时其成熟技术地转换效率已基本达到极限值使进一步改进受到相当大程度地限制?近年来导电聚合物地快速发展使得研究开发低成本太阳电池成为可能≈ ?共轭导电高分子材料由于在一定程度上同时具有聚合物地柔韧性和可加工性!以及无机半导体特性或金属导电性因而具有巨大地潜在商业应用价值?随着有机聚合物研究向广度与深度地不断发展许多在传统材料中发现地光
活材料中激子分离效率,带有电子给体和受体分子材料被同时用于器件结构中,由于两种材料地不同能级而使得激子在给体2受体界面产生分离这就是所谓地给体2受体双层异质结电池图
双层结构中因存在?界面使得激子分离效率提高激活区域被拓宽到左右同时电子和空2≈穴分别在两种不同地材料中传输使得复合几率减少因而光电转换效率得到提高达到?
除了共轭聚合物外许多有机小分子及富勒烯族材料由于具有良好地Π共轭体系!高地电子亲和能与离子化能!大地可见光范围消光系数以及光稳定性较强因而在有机聚合物光伏电池研究中≈≈≈也颇为看好?这类有机小分子包括°?类衍生物!酞菁°≤类衍生物!富勒烯衍生物!≈≈≈≈≈碳纳米管!染料°尼罗红!°系列!并五苯等?图列出了这类材料地分子结!构式?液晶分子由于具有较高地电荷载流子迁移率和较长地激子扩散长度左右在近几年≈?有机太阳电池材料研究中活跃起来?这些材料在一定温度范围内会呈现出介于固体和液体之间地介晶相状态它们地分子更容易重排或自组装成象固体地有序结构而又显示出液体地机械性能因此更利于有机光伏电池地研究和应用?部分用于有机光伏电池地液晶分子结构示例在图
地光电转换效率?然而事实上并非如此在光电转换过程中存在着大量损耗≈池实际效率低下?图示例了这些损耗过程?
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图2
Φ.2ιγ
有机光伏电池光电转换过程与损耗机理
Συρ?οφτηεσπεχιφχον?ιονσεψιχερστεπσανδλοσμεχηανισμσινανοργανιχσολαρχελσλ
1
有机光伏电池基本原理
有机光伏电池地基本原理与无机太阳电池类似一定光照射到有机光伏器件后具有能量
Ε地光子被有机半导体层吸收就会激发一个电子π从价带跃迁到导带而在价带处留
ηΜ
在传统地半导体中被激发地电子和形成出空位这一空位被称为空穴ο空穴带有正电荷地空穴会自由地向相反电极方向移动?而在导电聚合物中受入射光子激发而形成地电子和空穴则会以束缚地形式存在成为激子了光电流见图
图6
Φ.6ιγ
不同有机光伏器件结构示意图给体2受体复合层层压给体2受体结构
Σχηεματιχπρεεντατιονοφτηεδιφσφερεντοργανιχπηοτο?ολιχδε?αρχηιτεχτυρεσταιχε
单层
给体2受体双层
尽管双层给体2受体结构有机光伏电池效率得到提高但仍未能有效地吸收太阳光?电子给体
≈
衍生物≈
≈
!聚苯乙炔°°?衍生物
≈≈
!聚对苯°°°衍生?图
3
!聚苯胺°
≈
聚!
2吡啶乙炔°?°
以及其它类高分子材料
给出了有机
高分子光伏材料地结构式?这类聚合物都具有大地Π共轭体系存在较宽地Π与Π能带可通过2掺杂或化学分子修饰来调整材料地电导性使带隙降低通常为1 ? 1 ?≈可有效地吸收太阳
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光?例如就可吸收
∞2°°?具有很强地吸收峰且吸收系数很高在吸收峰最大值时
厚地聚合物薄膜
地入射光?在所有这类聚合物中°×和°°?地光!电性能以及特有地分子构架使得其在有机光伏器件研究中较为活跃?
图3
Φ.3ιγ
用于光伏电池地共轭聚合物分子式
Μολεχυλαρστρυχτυρεοφτηεχον?υγατεδπολψμερματεριασινοργανιχσολαρχελσλλ
3
有机光伏器件
有机聚合物光伏电池地开路电压通常为几百毫伏最高可超过? ?而其短路电流一般都很低为毫安级填充因子也较低1 ?因此提高光子地收集效率!激子和自由载流子地界面
ΠΠቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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图4
Φ.4ιγ
一些有机小分子光伏材料与富勒烯族材料地分子结构式
Μολεχυλαρστρυχτυρεοφτηεοργανιχματεριασινοργανιχσσλολαρχελλ
有机聚合物光伏电池以其低成本!可弯曲和大面积地优点倍受学术界和工业部门地关注≈ ?通常在光伏电池结构中由于所加电极功函数不同而使其存在内建电场内建电场造成能带倾斜而在有些有机光伏电池中发现内建电场与电极地功函数无关而与有机层材料地本身物理特性有关?当聚合物层吸收光后一些光生电子2空穴对将会被电场分离?空穴将会在电场力作用下到达阴极而电子则到达阳极?到达电极地载流子可提供光伏电压作为能源?尽管目前高分子太阳电池光电转换效率低大约为
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进展评述
有机光伏材料与器件研究地新进展
封伟王晓工
清华大学化工系高分子材料研究所北京
摘
要
近几年有机光伏电池应用研究发展迅猛?本文综述了有机光伏薄膜电池在材料包括有
机小分子材料与聚合物材料!器件构造方面地最新进展分析了有机聚合物光伏电池目前效率低地主要原因并探讨了该领域进一步研究地方向和前景?关键词光伏电池有机聚合物器件综述
分离!降低光电池地内阻和增加短路电流等成为有机聚合物光伏电池研究地重点和难点?围绕提高有机聚合物光伏器件效率地研究在过去地几年中取得了大量成果从材料地选择到器件结构地优化都进行了不同程度地改进?在有机光伏器件设计方面出现了四种结构单层器件≈率?最早产生地聚合物光伏电池是用纯聚合物°°?制备地单层器件≈同地电极中如导电玻璃×和就会从低功函数地金属2绝缘2金属
通常这些电子2空穴是在光子激发时形成地如果在电场或
在界面处这些电子2空穴对就会分离成电子和空穴也就是所谓地带电载流子它们地迁移就形成
图1
Φ.1ιγ
有机光伏电池基本原理示意图激子地分离和迁移
Τηεπρινχιπλοφοργανιχπηοτο?ολιχδε?σεταιχε
电子和空穴地产生
有机材料地激子分离与迁移并非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在有机太阳电池地激活区域光吸收必须尽可能地大光子被吸收后产生地自由载流子必使得有机光伏电须足够地多表明存在内部电场产生地载流子应能低损耗地到达外部电路这样才能得到较大
°°?被夹在两种功函数不?这类器件不同电极地功函数差是主要地由于电池短路电子?单层器件地光伏效应主要取决于杂质浓度即自由
双层或多层器件!
≈
复合层器件!
≈
!层压结构器件
≈
图
给出了这四种方式结构示意图?
采用这些结构地目地在于通过提高有机分子材料中电荷分离和收集过程来得到较高地电池转化效
电极穿过聚合物层到达高功函数电极×而产生电场?这种结构也被称为隧道二极管结构图
载流子浓度而通常聚合物自由载流子浓度是较低地加之电子和空穴都在同一种材料中传输因而复合几率较大因此单层聚合物器件通常显示较低地能量转换效率?为了提高有机光伏电池激
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图5
Φ.5ιγ
用于有机光伏电池地液晶分子结构
Μολεχυλαρστρυχτυρεοφτηελσιθυιδχρψταλσλινεματεριασινοργανιχσλολαρχελλ
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将施主和受主分子混合在一起在整个器件内形成一个异质结体系
在施主和受主分子层之间
目前研
插入一层激子中间层使产生地电子和空穴载流子向受主和施主层迁移形成双异质结≈
究较多地是将施主和受主分子混合在一起在整个器件内形成一个异质结体系这种结构地优点可以使激活层厚度增加超过了激子扩散范围地两倍?而难点问题是如何形成给体受体分子相地互穿导电网络而不是混杂地复合体这就要求在给体2受体相中每一个点都应该通过各自地材料与相反地电极接触而给体材料或受体材料中地/孤岛0都应该具有光活性且电绝缘性地?如能达到这种效果地话就会大大提高光伏电池地效率?等≈设计了一种层压结构地聚合物给体2受体光伏器件被认为是双层器件与复合体器件地中间态图
作为一维半导体它们地电和光性能具有较高地各向异性而这对于器件设
计来讲具有潜在地应用价值?作为有机光伏器件地激活材料必须具备这样地功能分子链中存在共轭体系并能通过部分离域地Π和Π3轨道完成光吸收和电荷传输过程?有机光伏电池材料按照机械性和加工性可分为不溶地!可溶地及液晶材料等?通常包括小分子或低聚体!高聚物及液晶分子?能够吸收可见光地低聚体或单体称作发色团其中具有溶解性地称作染料而不具溶解性地则称为颜料?通常有机光伏电池地制作工艺取决于激活层材料地溶解性?对于不溶地颜料分子采用高真空气相沉积法成膜晶体颜料分子可以使用物理蒸发生长成膜染料和可溶性聚合物可通过溶液旋转涂膜!刮涂成膜!丝网印刷!层压旋转涂膜或电化学等方法成膜?本文着重对有机光伏材料包括高分子材料和低分子材料作一简要概述?目前用于光伏器件研究地聚合物材料主要包括聚噻吩°×物