光电薄膜的制备及其光电性质的研究(4)
时间:2017-02-16 17:01 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
1.4 有机太阳能电池介绍 传统的无机太阳能电池发展过程中逐渐出现生产工艺复杂、生产成本高、制作过程高耗能以及转换效率己经达到极限值等许多制约因素，这些使得无机太阳能电池的进一步发展受到极大的限制。而在另一方面，导电聚合物的快速发展使得研究开发低成本有机太阳能电池变为现实，有机聚合物材料具有柔性好、重量轻、成本低、制作容易、光谱响应宽、材料来源广等优点，因而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。 共轭导电高分子材料由于兼有聚合物的可加工性和柔韧性以及无机半导体特性或金属导电性因而具有巨大的潜在商业应用价值，如果聚合物太阳能电池的能量转换效率能够提高到接近商品化的无机材料太阳能电池的水平，那它将会拥有广泛的市场前景。有机太阳能电池是通过有机材料吸收光子从而实现光电转换的器件，其工作基本原理与无机太阳能电池类似，都是基于（有机）半导体的光生伏特效应。 有机太阳电池的研究始于上世纪80年代初期，经过20多年的研究已取得了很大进展。电子给体为有机导电高分子聚合物或敏化染料，如聚苯亚乙烯（PPV，常用的是MEH-PPV和MDMO-PPV）及其改性衍生物、聚噻吩类（PThs）、聚芴和优尔苯并苯盘状液晶等；电子受体为非金属，如富勒烯 及其衍生物和其他有机聚合物，如CN-PPV、芳杂环类聚合物等。载流子传输介质为金属或半导体化合物，如Al、Ca等。光电转换是在D/A界面完成的，因此电池可以做的很薄。 有机太阳能电池按照器件结构可基本分为三类：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。 1.4.1单质结有机太阳能电池 单质结有机太阳能电池是研究最早的有机太阳能电池。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、卟啉、菁染料、导电聚合物等有机材料。由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。 1.4.2 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。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。 1.4.3 染料敏化太阳能电池 由于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可以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。 1.4.4 有机太阳能材料 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。其特点是易于加工以及有机分子的化学结构容易修饰，其中最显著的优点有：通过化学或电化学掺杂它们的电导率可以在宽广范围内变化，而且他们的物理化学特性强烈依赖于高聚物主链结构、掺杂剂的性质和掺杂程度； 具有颗粒或纤文结构的微观形貌；具有优异的物理化学特性，如较高的室温电导率、可逆的氧化还原特性、掺杂时伴随颜色的变化以及快速响应、大的三阶非线性光学系数。有机太阳能电池材料带隙较低，在可见光区内有较宽的吸收范围，吸收系数大，具有极好的光稳定性和光电性能。 (责任编辑：qin) |