有機(jī)太陽(yáng)能電池_-_太陽(yáng)能電池_-_簡(jiǎn)介_(kāi)(PPT).ppt

1、有機(jī)太陽(yáng)能電池,景廣華,2009.12.22,提綱,太陽(yáng)能電池的定義 太陽(yáng)能電池的種類(lèi) 有機(jī)太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介 有機(jī)太陽(yáng)能電池的優(yōu)勢(shì)和不足 有機(jī)太陽(yáng)能電池的發(fā)展現(xiàn)狀 有機(jī)太陽(yáng)能電池的發(fā)展前景,太陽(yáng)能電池的定義,太陽(yáng)能電池是太陽(yáng)能光伏發(fā)電的基礎(chǔ)和核心，是一種利用光生伏打效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷?。用適當(dāng)?shù)墓庹赵谏线呏笃骷啥藭?huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。 典型的太陽(yáng)電池是一個(gè)p-n結(jié)半導(dǎo)體二極管。 p-n結(jié)的形成過(guò)程 光生載流子電子空穴對(duì)的產(chǎn)生 “光生電壓”及“光生電流”的產(chǎn)生,p-n結(jié),“光生載流子” 的產(chǎn)生 光子把電子從價(jià)帶(束縛)激發(fā)到導(dǎo)帶(自由)，并在價(jià)帶內(nèi)留下一個(gè)/空穴(自由)產(chǎn)生了自由電子空穴對(duì),“光

2、生電壓”的產(chǎn)生 自由電子和空穴擴(kuò)散進(jìn)入p-n結(jié)，n-p結(jié)作用下，分別在n區(qū)和p區(qū)形成電子和空穴的積累,太陽(yáng)電池,太陽(yáng)能電池的種類(lèi),結(jié)構(gòu)分類(lèi) 同質(zhì)結(jié)(si) 異質(zhì)結(jié)(砷化鋁鉀-砷化鎵異質(zhì)結(jié)) 肖特基(ms電池)現(xiàn)在發(fā)展成 mos電池,材料分類(lèi) 硅太陽(yáng)能 無(wú)機(jī)化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能(硫化鎘-硫化亞銅，砷化鎵等) 敏化納米晶太陽(yáng)能(染料敏化太陽(yáng)能) 機(jī)化合物太陽(yáng)能 以酞菁 等等為集體材料制成的太陽(yáng)能(小分子有機(jī)物太陽(yáng)能) 塑料太陽(yáng)能(高分子多聚物太陽(yáng)能),光電轉(zhuǎn)換機(jī)理分類(lèi) 傳統(tǒng)(光照直接產(chǎn)生電子空穴對(duì)) 激子(光照產(chǎn)生的是激子，有機(jī)小分子，染料，多聚物),材料種類(lèi),有機(jī)太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介,廣泛的講有機(jī)太陽(yáng)能

3、電池主要是利用有機(jī)小分子或有機(jī)高聚物來(lái)直接或間接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷?有機(jī)太陽(yáng)能電池發(fā)展簡(jiǎn)史 有機(jī)太陽(yáng)能電池是一種正在進(jìn)行研究的新型電池。有機(jī)太陽(yáng)能電池這個(gè)概念貌似很新，但其實(shí)它的歷史也不短跟硅基太陽(yáng)能電池的歷史差不多 。 第一個(gè)有機(jī)光電轉(zhuǎn)化器件是由Kearns和Calvin在1958年制備的，其主要材料為鎂酞菁(MgPc)染料，染料層夾在兩個(gè)功函數(shù)不同的電極之間。在那個(gè)器件上，他們觀(guān)測(cè)到了200 mV的開(kāi)路電壓，光電轉(zhuǎn)化效率低得讓人都不好意思提 。,1986年，柯達(dá)公司的鄧青云博士. 光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到1左右。時(shí)至今日這種雙層膜異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)仍然是有機(jī)太陽(yáng)能電池研究的重點(diǎn)之一。 1992年

4、，土耳其人Sariciftci發(fā)現(xiàn)，激發(fā)態(tài)的電子能極快地從有機(jī)半導(dǎo)體分子注入到C60分子而反向的過(guò)程卻要慢得多1993年，Sariciftci在此發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上制成PPV/C60雙層膜異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池。此后，以C60為電子受體的雙層膜異質(zhì)結(jié)型太陽(yáng)能電池層出不窮。 研究人員在此類(lèi)太陽(yáng)能電池的基礎(chǔ)上又提出了一個(gè)重要的概念：混合異質(zhì)結(jié)(體異質(zhì)結(jié)),工作原理和影響因素 光子捕獲吸收 能量傳輸轉(zhuǎn)移 載流子產(chǎn)生 載流子收集,光子捕獲及影響因素： 也就是光子到來(lái)能夠吸收并儲(chǔ)存它所攜帶的能量的部分。（硅，有機(jī)物） 影響因素 基板的透光性 能級(jí)特性，激發(fā)態(tài)穩(wěn)定性，回傳速率等,能量傳輸及影響因素 傳統(tǒng)器件： 載流子

5、 激子器件： 激子 遷移率（摻雜） 擴(kuò)散長(zhǎng)度（雜質(zhì)，缺陷，遷移率，和激發(fā)態(tài)的壽命，及回傳速率）,載流子產(chǎn)生及影響因素 激子器件中由于產(chǎn)生的激子必須擴(kuò)散到分離點(diǎn)才會(huì)變?yōu)樽杂奢d流子。 激發(fā)態(tài)壽命 遷移率 界面能級(jí)特性,載流子的收集影響因素 激子被分離為載流子之后，必須被電極收集之后傳導(dǎo)出去 電極功函數(shù) 界面能級(jí)狀態(tài)（復(fù)合） 電極表面形態(tài) 遷移率,有機(jī)物的光化學(xué)和物理過(guò)程,激子通常壽命很短，很快失活，能量耗散掉失活的途徑是多種多樣的，他們?cè)诨ハ喔?jìng)爭(zhēng)著。 失活途徑： 輻射機(jī)制 無(wú)輻射機(jī)制,輻射機(jī)制： 熒光（光光） 磷光（光光） 無(wú)輻射機(jī)制： 物理的：內(nèi)轉(zhuǎn)換，系間竄穿（光熱） 化學(xué)的；單重態(tài)反應(yīng)，三重態(tài)

6、反應(yīng)（光化學(xué)）,光化學(xué)和光物理過(guò)程,激發(fā)態(tài)的能量轉(zhuǎn)移： D*+AD+A* 偶極-偶極能量轉(zhuǎn)移（foster能量轉(zhuǎn)移）,D*,A,A*,D,電子交換能量轉(zhuǎn)移（dexter能量轉(zhuǎn)移）,D*,A,A*,D,光致電子轉(zhuǎn)移： D*+AD+A-,D*,A,A-,D+,D+A*D+A-,D,A*,A-,D+,激子太陽(yáng)能器件就是基于不同材料之間的能量和電子轉(zhuǎn)移來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能到電能的轉(zhuǎn)換的。,器件結(jié)構(gòu)和性能改善,器件基本結(jié)構(gòu)：,其他常見(jiàn)結(jié)構(gòu)：,目前效率比較高的兩種電池所用的結(jié)構(gòu)：,2007science發(fā)表的，是當(dāng)時(shí)的世界記錄6.5%,2009年4月26日nature photonics上的高效單結(jié)電池,分類(lèi) 有

7、機(jī)太陽(yáng)能按照結(jié)構(gòu)和機(jī)理大致分為以下幾種類(lèi)型。 有機(jī)肖特基 有機(jī)異質(zhì)結(jié) 有機(jī)體異質(zhì)結(jié) 染料敏化,染料敏化太陽(yáng)能示意圖,體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池內(nèi)部結(jié)構(gòu),性能的改善 器件結(jié)構(gòu) 退火工藝 成膜工藝 新分子的采用和分子改造 載流子傳輸層 電極的改進(jìn),結(jié)構(gòu)的改進(jìn) 肖特基 異質(zhì)結(jié) 體異質(zhì)結(jié) 改進(jìn)體異質(zhì)結(jié) 粒子阻擋層、復(fù)合層,退火工藝 退火的應(yīng)用允許材料進(jìn)行重新的組織形成一定的晶態(tài)和良好的雙聯(lián)通結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善遷移率，改進(jìn)器件性能。 溫度 時(shí)間 影響：短路電流，填充因子（串聯(lián)，并聯(lián)電阻）， 開(kāi)路電壓，響應(yīng)波段。,成膜工藝 有機(jī)器件一般采用真空蒸鍍的方式來(lái)沉積薄膜，當(dāng)然對(duì)于大分子最常用的是旋涂，濺射由于粒子能量較大不

8、宜用來(lái)直接在有機(jī)物上鍍膜。 成分比例 厚度 溶劑 影響：短路電流，開(kāi)路電壓，填充因子,新分子的采用和分子改造 不同物質(zhì)的特性不同因而對(duì)器件的影響是很大的，目前來(lái)看最有希望的便是富勒烯衍生物作為受體的電池，當(dāng)然人們還在需求新的途徑。 改造富勒烯系列分子 液晶分子（自組織） 雙區(qū)分子的合成（自組織，引入C60） 這種工作對(duì)性能的影響是源于物質(zhì)本性的。,載流子傳輸層 載流子傳輸層有時(shí)候也是同時(shí)作為作用層和電極修飾層的，他對(duì)載流子的收集性能很重要。 激子阻擋層（BCP） LiF PEDOT：PSS 碳納米管 影響：短路電流，填充因子,電極的改進(jìn) 清洗（HCl等） 紫外臭氧處理 PEDOT：PSS IT

9、O的替代（PEDOT：PSS、碳納米管） LiF 影響：短路電流，填充因子,有機(jī)太陽(yáng)能電池的優(yōu)點(diǎn)和不足,有機(jī)太陽(yáng)能電池作為一種新型的電池，以其獨(dú)有的特點(diǎn)，不斷的吸引著更多的人投入到這個(gè)領(lǐng)域的研究和開(kāi)發(fā)中來(lái)。其發(fā)展速度之快也得益于其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)和特性。 化合物分子可設(shè)計(jì)性 材料輕便 制造加工成本低 樣式多樣化 便于制造大面積柔性電池,當(dāng)然目前來(lái)看有機(jī)太陽(yáng)能器件仍有不少缺點(diǎn) 材料遷移率低，高體電阻，從而導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換率低。 材料穩(wěn)定，耐久性不夠好，電池壽命短。 當(dāng)然從目前世界上有機(jī)太陽(yáng)能研究的狀況來(lái)看雖然存在這些缺點(diǎn)，但是相對(duì)于制造無(wú)機(jī)電池的高昂代價(jià)來(lái)講，無(wú)機(jī)太陽(yáng)能的研究仍舊有很強(qiáng)大的生命力。,有機(jī)太

10、陽(yáng)能的研究現(xiàn)狀,當(dāng)電力、煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問(wèn)題日益成為制約國(guó)際社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸時(shí)，越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能資源，尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力。而太陽(yáng)能電池便是一個(gè)很好的應(yīng)用。 無(wú)機(jī)：這種無(wú)機(jī)原料太陽(yáng)能電池造價(jià)昂貴，因而與其他一些能源發(fā)電比起來(lái)缺乏競(jìng)爭(zhēng)力 。(縱然如此研究者也不在少數(shù)),有機(jī)：未來(lái)太陽(yáng)能電池的主流發(fā)展方向強(qiáng)調(diào)的是更輕便、更靈活，最重要的是，更便宜 因而目前 有機(jī)太陽(yáng)能的現(xiàn)狀是：研究機(jī)構(gòu)紛紛投身研究有機(jī)太陽(yáng)能，企業(yè)也紛紛涉足有機(jī)太陽(yáng)能。 下面介紹的是近兩年研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的動(dòng)態(tài)和研究現(xiàn)狀：,2007 ScienceAlan J. Heeger等 “使有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電

11、池的單元轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了全球最高6.5”。 結(jié)構(gòu)：級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu) 關(guān)鍵：在兩個(gè)太陽(yáng)能電池單元之間夾了一層TiOxI (鈦氧化物材料) p型：PEDOT:PSS， n型：PCBM與PCPDTBT的混合材料(750800nm) PC70BM與P3HT的混合材料(500nm ),2009 Nature Photonics韓國(guó)光州科學(xué)技術(shù)學(xué)院(GIST)宣布，將單結(jié)有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的單元轉(zhuǎn)換效率提高到了6.1。(2007級(jí)聯(lián)6.5。)結(jié)構(gòu)：?jiǎn)谓Y(jié)、Bulk Hetero結(jié)構(gòu) P型：PCDTBT n型：PC70BM 特點(diǎn)：開(kāi)放電壓較大(425575nm時(shí)，內(nèi)部量子效率高達(dá)90。),三菱化學(xué)開(kāi)發(fā)出了4.5的轉(zhuǎn)換效

12、率的電池。 P型：P3HT N型：富勒烯衍生物 目標(biāo)：今后力爭(zhēng)2010年度達(dá)到10，并于2015年使模塊轉(zhuǎn)換效率為15的有機(jī)太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)實(shí)用化,大阪大學(xué)(2008年3月2730日)成功開(kāi)發(fā)出了單元轉(zhuǎn)換效率高達(dá)5.3的有機(jī)固體太陽(yáng)能電池。 關(guān)鍵：純度極高的C60(7個(gè)九)結(jié)晶實(shí)現(xiàn)的(僅通過(guò)這兩點(diǎn)便將單元效率由原來(lái)的2.5提高到了5.3的全球最高水平) 結(jié)構(gòu)：ITO(透明電極)/H2Pc/i層/C60/NTCDA/Ag(電極) Bulk Hetero結(jié)構(gòu),Konarka科技的有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池“Power Plastic “(Konarka在其所在地)美國(guó)波士頓的屋頂上安裝了基本相同的太陽(yáng)能電池

13、，1年后其性能幾乎沒(méi)有下降。多數(shù)看法認(rèn)為有機(jī)太陽(yáng)能電池的封裝必須使用玻璃或非常昂貴的薄膜，與此相反，我們利用市售廉價(jià)材料制造出的柔性太陽(yáng)能電池模塊卻具有如此之高的耐久性，是了不起的成果 ”,英國(guó)風(fēng)險(xiǎn)(G24i企業(yè)G24 Innovations )已從2007年10月起采用卷對(duì)卷式印刷技術(shù)以25MW/年的規(guī)模開(kāi)始量產(chǎn)柔性色素増感型太陽(yáng)能電池模塊。產(chǎn)品已于2008年上市。充電器的價(jià)格為2040美元。,東麗在2009年3月，通過(guò)新開(kāi)發(fā)p型(施主)有機(jī)半導(dǎo)體材料，使轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了5.5。 該p型有機(jī)半導(dǎo)體材料的要點(diǎn)為兩個(gè)方面： (1)通過(guò)加大與n型(受主)有機(jī)半導(dǎo)體材料的能級(jí)(空間電位)差，實(shí)現(xiàn)了約1

14、V的高開(kāi)路電壓； (2)通過(guò)涂覆與n型半導(dǎo)體材料的分散混合液形成pn結(jié)時(shí)，能夠擴(kuò)大單位體積中pn結(jié)界面的表面積。該公司將力爭(zhēng)在2015年前使轉(zhuǎn)換效率達(dá)到7。,大日本印刷于2009年6月宣布， 5cm見(jiàn)方單元的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了4以上 特點(diǎn)：安裝輔助電極使有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池。 目標(biāo)：2012年度開(kāi)始樣品供貨有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池，2015年度之前達(dá)到實(shí)用水平。此外還將研究基于PET薄膜底板的卷對(duì)卷工藝的量產(chǎn)技術(shù),科納卡技術(shù)在2009年2月于日本舉行的“PV EXPO 2009 第二屆國(guó)際太陽(yáng)能電池展”上展出了利用卷對(duì)卷方式制造的多種有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池模塊。展示了利用柔性特點(diǎn)封裝于皮包中，或作為電子紙

15、的電源加以利用的試制品,2009年6月18日英特爾研發(fā)部門(mén)成果展示會(huì) n型：富勒烯衍生物 p型：P3HT 結(jié)構(gòu)：體異質(zhì)結(jié) 特點(diǎn)：電極制成了梳齒狀，電子更易流動(dòng)的，提高體異質(zhì)結(jié)構(gòu)造規(guī)則性控制 效率：2mm2面積效率可達(dá)到6，(此次1.82 ) 目標(biāo)：開(kāi)發(fā)采用柔性底板的技術(shù),德國(guó)HeliatekGmbH宣布，其有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了6.07。 結(jié)構(gòu)：低分子材料的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。 目標(biāo)：今后幾年內(nèi)使轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10。(該公司將在2009年9月2125日于德國(guó)漢堡舉辦的太陽(yáng)能電池技術(shù)國(guó)際會(huì)議),2009年12月2日solarmer宣布，有機(jī)太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換率已經(jīng)達(dá)到7.9%，為世界最高。 該公司1

16、0月份已經(jīng)達(dá)到7.6%，之前其在nature photonics2009年10月的一篇文章上提到的效率為6.77%,有機(jī)太陽(yáng)能電池的發(fā)展前景,當(dāng)大多數(shù)新型太陽(yáng)能電池還處在實(shí)驗(yàn)階段，其能效卻已被不斷夸大的時(shí)候，有機(jī)材料太陽(yáng)能電池能夠降低發(fā)電成本的潛能已經(jīng)被實(shí)實(shí)在在地發(fā)掘并開(kāi)始為人們所用，因?yàn)檫@些有機(jī)材料的半導(dǎo)體可以被大量生產(chǎn)并靈活運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域。 如今，世界各地的科學(xué)家和工程師們都在努力發(fā)展這一技術(shù)以更早達(dá)到商業(yè)化的目標(biāo)。,全球太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)1994-2004年10年里增長(zhǎng)了17倍，太陽(yáng)能電池生產(chǎn)主要分布在日本、歐洲和美國(guó)。 2006年全球太陽(yáng)能電池安裝規(guī)模已達(dá)1744MW，較2005年成長(zhǎng)19

17、，整個(gè)市場(chǎng)產(chǎn)值已正式突破100億美元大關(guān)。 2007年全球太陽(yáng)能電池產(chǎn)量達(dá)到3436MW，較2006年增長(zhǎng)了56%,中國(guó)對(duì)太陽(yáng)能電池的研究起步于1958年，20世紀(jì)80年代末期，國(guó)內(nèi)先后引進(jìn)了多條太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線(xiàn)，使中國(guó)太陽(yáng)能電池生產(chǎn)能力由原來(lái)的3個(gè)小廠(chǎng)的幾百kW一下子提升到4個(gè)廠(chǎng)的4.5MW，這種產(chǎn)能一直持續(xù)到2002年，產(chǎn)量則只有2MW左右。 2002年后，歐洲市場(chǎng)特別是德國(guó)市場(chǎng)的急劇放大和無(wú)錫尚德太陽(yáng)能電力有限公司的橫空出世及超常規(guī)發(fā)展給中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇和示范效應(yīng),太陽(yáng)能光伏發(fā)電在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要席位。 預(yù)計(jì)到2030年，可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占到30以上，而太陽(yáng)能光伏發(fā)電在世界總電力供應(yīng)中的占比也將達(dá)到