摩鑫英雄账号注册及使用攻略有机化合物太阳能电池随着全球能源需求量的逐年增加,能源问题成为世界各国经济发展遇到的首要问题。太阳能作为一种绿色能源,取之不尽,用之不竭,是各国科学家开发和利用的新能源之一.1954年,美国的贝尔研究所成功地研制出硅太阳能电池,开创了光电转换研究的先河。之后关于太阳能电池的研究迅速发展起来, 最初主要集中于以单晶硅为活性材料的无机太阳能电池。20世纪90年代又发展了砷化镓、碲化镉以及叠层GaInP/GaAs/Ge等器件,它们由单晶、多晶或非晶薄膜构成。由于无机太阳能电池原料成本高,生产工艺复杂和窄带隙半导体的严重光腐蚀使太阳能发电不能大面积推广。要使太阳能发电得到大规模应用,就必须降低成本。有机半导体材料是最为廉价和最有发展潜力的太阳能电池材料,其优势表现为: 一方面,由于有机材料合成成本低,功能和结构易于调制,柔韧性及成膜性都较好；另一方面,由于有机太阳能电池加工过程相对简单,可低温操作,器件制作成本也随之降低。除此之外,有机太阳能电池的潜在优势还包括:可实现大面积制造、可使用柔性衬底、环境友好、轻便易携等,有望应用在手表、便携式计算器、玩具、柔性可卷曲系统等体系中为其提供电能。有机太阳能电池简介有机太阳能电池基本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. 有机太阳能电池利用的也是光伏效应。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0.2～1.0eV,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。单纯由一种纯有机物夹在两层金属电极之间制成的肖特基电池效率很低，后来将p型半导体材料(施主Donor)和n型半导体材料(受主Acceptor)结合,发现两种材料界面处激子的解离非常有效,这就是通常所说的p-n异质结型太阳能电池。有机太阳能电池分类有机太阳能电池按照器件结构可基本分为3类:单质结有机太阳能电池、异质结有机太阳能电池、染料敏化太阳能电池,而异质结有机太阳能电池又包括 p-n 异质结、混合异质结、体异质结和级联结构有机太阳能电池。单质结有机太阳能电池：质结有机太阳能电池是研究最早的有机太阳能电池,其结构为:玻璃/电极/有机层/电极(图 1a)。电极一般都是氧化铟锡(ITO)和功函数低的金属Al,Ca,Ag,Mg等。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与有机材料接触而形成的肖特基势垒。异质结有机太阳能电池：异质结有机太阳能电池包括p-n异质结、混合异质结、体异质结和级联结构有机太阳能电池。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(图 1b)。由于此类电池中有给体-受体异质结的存在,所以较单质结有机太阳能电池的光电转换效率要高,因此成为后来研究的重点。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、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1c).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 1d),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。与单质结电池相比,p-n异质结电池有许多优势: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。但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。染料敏化太阳能电池：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。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。有机太阳能电池材料有机太阳能电池材料种类繁多,可大体分为四类: 小分子太阳能电池材料、大分子太阳能电池材料、D-A体系材料和有机无机杂化体系材料。有机小分子太阳能电池材料有机小分子太阳能电池材料都具有一定的平面结构,能形成自组装的多晶膜。这种有序排列的分子薄膜使有机太阳能电池的迁移率大大提高。常见的有机小分子太阳能材料有并五苯、酞菁、亚酞菁、卟啉、菁、苝和、等。并五苯是五个苯环并列形成的稠环化合物,是制备聚合物薄膜太阳能电池最有前途的备用材料之一。有机小分子太阳能电池材料具有合成及表征相对简单、化学结构修饰容易、质量轻等优点, 但多数小分子材料在有机溶剂中的溶解度差, 制备器件时需要真空蒸镀, 设备成本高, 且不容易制备大面积太阳能电池.大分子太阳能电池材料可进行分子层次上的结构改进,原料来源广泛,加工性能好,可利用旋转涂膜和流延法大面积成膜, 可进行物理改性, 如掺杂等. 但该材料大都无定形, 载流子主要在分子内的共轭键上运动, 在分子间的迁移很难.其禁带宽度较无机半导体材料的大很多, 掺杂均为高浓度掺杂, 导致光电流降低,光电转化效率的降低. D-A 体系材料可以获得微相分离的互渗双连续网络结构, 有助于激子的解离.但D-A 体系材料的合成分离较困难. 有机无机杂化体系充分利用了无机材料高的载流子迁移率和有机材料大的光吸收系数, 是目前太阳能电池材料研究的热点及未来发展趋势. 这些体系大大拓宽了人们对材料结构设计的思路, 从而使得有机太阳能电池各种材料的性能得到不断的改善。有机大分子电池材料从20世纪90年代起,基于有机大分子的太阳能电池得到了迅速的发展。下面主要介绍其近几年的研究成果。富勒烯衍生物：是很好的电子受体,但较小的溶解性限制了它在以溶液方式加工的聚合物太阳能器件中的应用。由于特殊笼形结构及功能,将作为新型功能基团引入高分子体系,得到具有导电性和光学性质优异的新型功能高分子材料。从原则上讲,可以引入高分子的主链、侧链,形成富勒烯的衍生物(如图)。经过改良的 C60,PCBM([6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯)具有较好的溶解性, 被广泛应用于聚合物器件中。聚噻吩及其衍生物：聚噻吩(PTh)及其衍生物是良好的导电聚合物(如图),也是近年来在有机太阳能电池中广泛研究的一类给体材料。PTh溶解性很差, 实验证明,噻吩环的3-位取代或 3,4-位双取代都能改善其溶解性。改善的程度与取代烷基链的长度有关。6C以上的取代PTh在一般极性溶剂中可以完全溶解。随着烷基链的增长,PTh链间距离增大,从而将载流子限制在主链上,减少了淬灭几率。3-位取代噻吩比3,4-位双取代噻吩具有更好的溶解性,主要是因为双取代噻吩位阻太大,降低了其有效共轭长度,提高了离子化电位。目前光电转换效率最好的有机太阳能器件是由噻吩类给体与富勒烯衍生物受体构成的体系。含氮共轭聚合物：含氮的共轭聚合物也是一类较常见的有机太阳电池材料,主要包括聚乙烯基咔唑(PVK)、聚吡咯(PPy) 和聚苯胺(PAn)(如图）。聚乙烯基咔唑(PVK)是经典的高分子空穴传输材料,也是发现最早、研究最充分的具有光电活性的高分子材料。PVK侧基上带有大的电子共轭体系,可以吸收紫外光,激发出的电子可以通过相邻苯环形成的电荷转移复合物自由迁移。聚吡咯(PPy)具有电导率高,易于制备及掺杂、稳定性好、电化学可逆性强的特点。聚吡咯和聚噻吩一样,既难溶解又难熔化,很难与其它聚合物共混。聚芴及其衍生物：聚芴及其衍生物（如图）由于具有好的稳定性和高的发光效率而引起人们的广泛兴趣。由于聚芴中含有刚性平面结构的联苯,所以往往表现出好的光稳定性和热稳定性。其光电性能的研究也从发光材料拓展到了太阳能电池材料。由于纯粹的聚芴不仅溶解性差,而且是蓝光材料,能隙较宽,和太阳光谱不能很好的匹配,所以对聚芴的研究往往集中在溶解性和能隙的调控上。D-A体系混合异质结薄膜是互渗双连续网络结构,微观上是无序的。因此网络结构上存在着大量的缺陷,阻碍了电荷的分离和传输,从而降低了电荷分离和传输效率。后来,研究人员将给体和受体通过共价键连接,可以获得微相分离的互渗双连续网络结构,形成 D-A 体系材料。此类材料能克服混合异质结薄膜的结构缺陷, 应用到器件中有望提高器件效率, 是目前有机太阳能电池材料研究的热点之一.。有机无机杂化体系无机纳米半导体材料具有优异光电特性,如迁移率高、光导性强、能隙可根据颗粒尺寸调节、材料吸收较强等。将其与有机材料复合形成杂化体系,可充分利用有机材料和无机材料的优点,即无机材料高的载流子迁移率和有机材料大的光吸收系数，从而提高器件性能。总结有机小分子太阳能电池材料具有合成及表征相对简单、化学结构修饰容易、质量轻等优点,但多数小分子材料在有机溶剂中的溶解度差,制备器件时需要真空蒸镀,设备成本高,且不容易制备大面积太阳能电池。大分子太阳能电池材料可进行分子层次上的结构改进,原料来源广泛,加工性能好,可利用旋转涂膜和流延法大面积成膜,可进行物理改性,如掺杂等。但该材料大都无定形,载流子主要在分子内的共轭键上运动,在分子间的迁移很难。其禁带宽度较无机半导体材料的大很多,掺杂均为高浓度掺杂,导致光电流降低,光电转化效率的降低。D-A体系材料可以获得微相分离的互渗双连续网络结构,有助于激子的解离。但D-A体系材料的合成分离较困难。有机无机杂化体系充分利用了无机材料高的载流子迁移率和有机材料大的光吸收系数,是目前太阳能电池材料研究的热点及未来发展趋势。这些体系大大拓宽了人们对材料结构设计的思路,从而使得有机太阳能电池各种材料的性能得到不断的改善。

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