第五章塑料太陽(yáng)能電池.ppt

1、新型能源：聚合物太陽(yáng)能電池或塑料太陽(yáng)能電池,王海僑,充滿(mǎn)危機(jī)的世界,能源問(wèn)題 環(huán)境問(wèn)題 糧食問(wèn)題 交通問(wèn)題 健康問(wèn)題 信息問(wèn)題 ,中國(guó)的能源狀況,現(xiàn)有探明技術(shù)可開(kāi)發(fā)能源總資源量超過(guò)8230億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，探明經(jīng)濟(jì)可開(kāi)發(fā)剩余可采總儲(chǔ)量為1392億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，約占世界總量的10.1。 我國(guó)能源剩余可采總儲(chǔ)量的結(jié)構(gòu)為：原煤占58.8，原油占3.4，天然氣占1.3，水能占36.5。我國(guó)能源經(jīng)濟(jì)可開(kāi)發(fā)剩余可采儲(chǔ)量的資源保證程度僅為129.7年，其中原煤僅為114.5年，原油僅為20.1年，天然氣僅為49.3年。,能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，是影響各國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人戰(zhàn)略決策的重要因素，是許多國(guó)家制定全球戰(zhàn)略的首要問(wèn)題。 據(jù)國(guó)

2、際貨幣基金組織估算，油價(jià)每上漲5美元，將是全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率下降約0.3百分點(diǎn)。 近幾十年來(lái)，世界上發(fā)生的許多危機(jī)（如三次石油危機(jī)）、沖突都是圍繞爭(zhēng)奪能源引發(fā)的（如兩伊戰(zhàn)爭(zhēng)，前蘇聯(lián)出兵阿富汗，海灣戰(zhàn)爭(zhēng)，科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)，美國(guó)推翻塔利班，伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)等）。,能源對(duì)國(guó)際的影響,美國(guó)、俄羅斯、日本、歐盟、中國(guó)等許多國(guó)家針對(duì)中東、里海等石油資源展開(kāi)了激烈的較量和錯(cuò)綜復(fù)雜的斗爭(zhēng)。,大國(guó)對(duì)能源的競(jìng)爭(zhēng),大氣污染,溫室效應(yīng),傳統(tǒng)能源的副產(chǎn)物,通常，汽車(chē)消耗的汽油能量?jī)H有用于驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，另有一半則通過(guò)車(chē)身和排氣管變?yōu)闊崃可⑹А?全球平均氣溫相對(duì)之前快速攀升，海平面在過(guò)去的100年平均上升了10 25c m,一是節(jié)約使用能源；

3、 二是加強(qiáng)新能源技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)和利用，不斷擴(kuò)大利用新能源的比重。,解決能源危機(jī)的途徑,Solar,Petroleum,Natural Gas,Coal,Uranium,world,China,太陽(yáng)能的特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)： 普遍 無(wú)害 長(zhǎng)久 太陽(yáng)按照目前的功率輻射能量的時(shí)間大約可以持續(xù)1010年也就是100億年。 巨大 地球每年接受來(lái)自太陽(yáng)的能量為1.681024cal/年或?yàn)?.511018度/年的電力。這個(gè)能量比全世界每年所消耗的總能量還多3萬(wàn)倍。 14TW = 14,000 Nuclear power station Solar Power on earth 120,000TW,太陽(yáng)能的特點(diǎn),缺

4、點(diǎn)： 強(qiáng)度弱 地球大氣外每平方米垂直于太陽(yáng)光線的面積上接收到的太陽(yáng)能功率只有1353w。而垂直投射到地球表面每平方米面上的太陽(yáng)輻射功率就只有136747643W，相當(dāng)于在1m2的面積上放一只643w的電爐。,太陽(yáng)能的特點(diǎn),缺點(diǎn)： 間歇性 太陽(yáng)能的一個(gè)最大弱點(diǎn)就是它的間歇性，夜晚或陰雨天。 不穩(wěn)定 同一個(gè)地點(diǎn)在同一天日出和日落時(shí)的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如正午前后；而在同一地點(diǎn)的不同季節(jié)里，冬季的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度顯然又遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上夏季。,太陽(yáng)能的特點(diǎn),在地球大氣層外空間，可見(jiàn)光譜區(qū)能量約占40.3，紅外光譜區(qū)約占51.4，紫外光譜約占8.3。其中輻射能量最大的區(qū)域在可見(jiàn)光部分，能量分布最大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)則是

5、0.475m，屬于藍(lán)色光。 在地面上，由于大氣層的存在，太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣層時(shí)，紫外線和紅外線被大氣吸收較多，紫外區(qū)和可見(jiàn)區(qū)被大氣分子和云霧等質(zhì)點(diǎn)散射較多，所以太陽(yáng)輻射能隨波長(zhǎng)就比較復(fù)雜。大體情況是，晴朗的白天，太陽(yáng)在中午前后的45h這段時(shí)間，能量最大的光是綠光和黃光部分；而在早晨和晚間這兩段時(shí)間，能量最大的光則是紅光部分。,Convert solar energy to electronic power like plant !,利用太陽(yáng)能的新技術(shù)、新材料和新設(shè)備不斷出現(xiàn)，為太陽(yáng)能的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。目前，直接利用太陽(yáng)輻射能有三種方式： 光熱轉(zhuǎn)換； 光電轉(zhuǎn)換； 光化學(xué)轉(zhuǎn)換。,利用太陽(yáng)能的方式

6、,(1)光熱轉(zhuǎn)換,光熱轉(zhuǎn)換就是把太陽(yáng)輻射能通過(guò)各種集熱裝置（集熱器）轉(zhuǎn)變成熱能。 太陽(yáng)能熱發(fā)電； 太陽(yáng)能高溫爐冶煉高溫材料； 太陽(yáng)能節(jié)能建筑太陽(yáng)房； 利用太陽(yáng)能使海水淡化； 太陽(yáng)池（鹽湖水太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)）； 太陽(yáng)能熱水器。,(2)光電轉(zhuǎn)換,通過(guò)光伏電池將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)變成電能。工作原理是光電效應(yīng)。 已廣泛應(yīng)用于宇宙飛行器； 還用來(lái)作為交通工具的能源； 應(yīng)用在自動(dòng)控制領(lǐng)域； 還可以用來(lái)發(fā)電（光伏電站）。,(3)光化學(xué)轉(zhuǎn)換,用光和物質(zhì)相互作用引起化學(xué)變化的過(guò)程稱(chēng)光化學(xué)轉(zhuǎn)換。 綠色植物的光合作用； 利用光化學(xué)電池制氫。 光化學(xué)轉(zhuǎn)換到目前為止還只限于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，沒(méi)有重大突破。,三、太陽(yáng)能電池,太陽(yáng)能

7、電池是一種利用光生伏打效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷?，又叫光伏器件?用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射到某些物質(zhì)上時(shí)，其吸收光能后兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱(chēng)為光生伏打效應(yīng)。這種現(xiàn)象在液體和固體物質(zhì)中都會(huì)發(fā)生，但是只有在固體中，尤其在半導(dǎo)體中，才有較高的能量轉(zhuǎn)換效率。所以，人們又常常把太陽(yáng)能電池稱(chēng)為半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池。,無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池一枝獨(dú)秀,目前研究和應(yīng)用最為廣泛的太陽(yáng)能電池主要是單晶硅、多晶硅和非晶硅電池。 單晶硅、多晶硅太陽(yáng)能電池已經(jīng)在小規(guī)模器件上得到商業(yè)應(yīng)用，如房屋頂上的太陽(yáng)能板、便攜式計(jì)算器、抽水泵等，這些太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到24(單晶硅商業(yè)光電轉(zhuǎn)換效率為16%20%)，接近于理論計(jì)算值的上限33。,A

8、5-kW point-focus Stirling engine concentrator system (courtesy of National Renewable Energy Laboratory).,ZnSe, ZnS,GaAs,Ge,Si,SiC,GaN,World Record: 41.1% efficiency reached for multi-junction solar cells at Fraunhofer ISE,Photo of the new world record solar cell made of Ga0.35In0.65P/Ga0.83In0.17As/

9、Ge with a cell area of 5.09 mm.,The research team at Fraunhofer ISE,無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池的問(wèn)題,1.單晶硅 硅電池生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，要求材料純度極高，需要高溫（400-1400）和高真空條件，這導(dǎo)致其制造成本較高。制造這些材料電耗在太陽(yáng)能電池生產(chǎn)總成本中己超1 /2；且在制造的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些劇毒的物質(zhì)。 其成熟的技術(shù)使光電轉(zhuǎn)換效率基本達(dá)到極限值，讓進(jìn)一步改進(jìn)受到相當(dāng)大程度的限制，而且其材料本身不利于降低成本。這些因素限制了它的大規(guī)模民用化。,污染嚴(yán)重,無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池的問(wèn)題,2.多晶硅 商業(yè)光電轉(zhuǎn)換效率約12%左右 相對(duì)單晶硅，材料

10、制造簡(jiǎn)便, 節(jié)約電耗, 總的生產(chǎn)成本較低, 因此得到大量發(fā)展,無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池的問(wèn)題,3.非晶硅薄膜電池 薄膜材料能在較低的溫度下直接沉積在廉價(jià)襯底上，有大幅度降低成本的潛力 適合用于建筑光伏一體化以及大型太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) 光電轉(zhuǎn)換效率偏低, 國(guó)際先進(jìn)水平為10%左右, 且不夠穩(wěn)定, 常有轉(zhuǎn)換效率衰降的現(xiàn)象,無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池的問(wèn)題,其它無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率較高，如，基于砷化鎵半導(dǎo)體的光伏電池轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到了31%32% (AM 1.5 G 條件下)，但是材料的稀缺性與成本問(wèn)題是難以克服的瓶頸問(wèn)題。,聚合物太陽(yáng)能電池,可進(jìn)行分子層次上的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，原料來(lái)源廣泛。 有多種途徑可改變和提高材料光

11、譜吸收能力，擴(kuò)展光譜吸收范圍并提高載流子遷移能力。 加工性能好，可利用旋轉(zhuǎn)涂膜和流延法大面積成膜?？蛇M(jìn)行拉伸取向，使極性分子規(guī)整排列。采用LB成膜技術(shù)可在分子水平控制膜的厚度。 可進(jìn)行物理改性，如采用摻雜、高能離子注入或輻照處理，可提高載流子傳輸能力，減少電阻損耗，提高短路電流。 電池制作多樣化，同一種類(lèi)聚合物導(dǎo)電材料因?yàn)閾诫s狀態(tài)的不同，可以表現(xiàn)為不同的半導(dǎo)體類(lèi)型。 原料價(jià)格便宜，合成工藝比較簡(jiǎn)單，成本較低，可以大批量工業(yè)化生產(chǎn)。,polymer solar cells(PSCs),solution processibility processed with spin coating、ink

12、jet printing、screen printing、roll-to-roll production Flexibility low cost eco-friendly light-weight etc.,Advantages of PSCs over inorganic solar cells:,a,b,c,d,Pictures of roll-to-roll production with PDTTDABT. (Top) Coating of active layer. (Middle) Coating of PEDOT layer. (Bottom)Lamination of the

13、 finished modules and test of single module under a solar simulator.,PDTTDABT,Large-area, flexible, and printable polymer solar cell demonstrated by Siemens AG, Germany,Heeger- Low Cost “Plastic”Solar Cells,國(guó)際上最熱的研究領(lǐng)域,專(zhuān)家表示：有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池效率只要超過(guò)10%，就具有商業(yè)化應(yīng)用價(jià)值，比無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池更有優(yōu)勢(shì)。,有機(jī)太陽(yáng)能電池（聚合物和小分子）的發(fā)展階段及最高效率,塑料太陽(yáng)能

14、電池創(chuàng)造新紀(jì)錄,一種破紀(jì)錄的聚合物太陽(yáng)能電池制造成功，開(kāi)發(fā)者是加州大學(xué)洛杉磯分校（University of California, Los Angeles）的研究人員，可以把10.6的太陽(yáng)光能量轉(zhuǎn)化為電能。這一電池性能超過(guò)以前的紀(jì)錄，就是8.6，那是在去年7月創(chuàng)造的，也是這同一個(gè)研究小組所做的。,發(fā)布日期：2012-02-24,來(lái)源：加州大學(xué) 聚合物太陽(yáng)能電池柔韌，輕便，而且有可能很便宜，但它們的性能落后于常規(guī)電池，這種電池的制備采用無(wú)機(jī)材料，比如硅。研究人員的領(lǐng)導(dǎo)是楊陽(yáng)（Yang Yang）教授，他是加州大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)與工程教授，他們的目標(biāo)，是制成聚合物太陽(yáng)能電池，可抗衡薄膜硅太陽(yáng)

15、能電池。楊陽(yáng)的破紀(jì)錄電池，是因?yàn)椴捎靡环N新的光伏聚合物，開(kāi)發(fā)者是一家日本公司，就是住友化學(xué)公司（Sumitomo Chemical），這標(biāo)志著研究人員可以更好地制作太陽(yáng)能電池，就采用這些很講究的材料。 新型塑料太陽(yáng)能電池包含兩層，作用于不同波段的光線，一層聚合物作用于可見(jiàn)光，另一層作用于紅外光。“太陽(yáng)光譜非常廣，從近紅外線到紅外線再到紫外線，單一的太陽(yáng)能電池成分不可能做到這一切，”楊陽(yáng)說(shuō)。 最好的無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池也是多層器件，但是，制備多層有機(jī)太陽(yáng)能電池非常難。聚合物的印制可以采用溶液，就像油墨印在紙上，這既是一個(gè)主要的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，也是一個(gè)缺點(diǎn)，艾倫黑格（Alan Heeger）說(shuō)，他分享了200

16、0年諾貝爾獎(jiǎng)，就是因?yàn)樗餐l(fā)現(xiàn)了導(dǎo)電聚合物。“這不需要高溫，因此，制造很簡(jiǎn)單，”他說(shuō)。但是，找出合適的溶劑，打印每一層電池，又不滴到它下面的一層，這是很棘手的。層數(shù)越多，問(wèn)題就變得更加復(fù)雜。匹配每一層的電氣性能，也是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)橐呀?jīng)把它們連接在一起。 楊陽(yáng)說(shuō)，他希望制成一種聚合物太陽(yáng)能電池，效率達(dá)到15。他指出，效率數(shù)字通常會(huì)下降約三分之一，因?yàn)樘?yáng)能電池會(huì)走出實(shí)驗(yàn)室，并在工作模塊中出售。聚合物太陽(yáng)能電池，15的效率屬于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，制成的模塊很可能是10的效率，楊陽(yáng)認(rèn)為，這就夠好了，可以與薄膜硅太陽(yáng)能電池競(jìng)爭(zhēng)。,Dresden, Germany, January 16, 2013 Heli

17、atek GmbH, the leader in organic solar films, today announced a record breaking 12.0% cell efficiency for its organic solar cells. This world record, established in cooperation with the University of Ulm and TU Dresden, was measured by the accredited testing facility SGS. The measurement campaign at

18、 SGS also validated the superior low light and high temperature performances of organic photovoltaics (OPV) compared to traditional solar technologies.,New world record!,Heliatek world record cells with 12.0% efficiency on an active area of 1.1 cm. Heliatek GmbH,Thanks to OPVs unique behavior at hig

19、h temperatures and low light conditions, this 12% efficiency is comparable to about 14% to 15% efficiency for traditional solar technologies like crystalline silicon and thin film PV,目前太陽(yáng)電池的研究主要集中于多功能新材料的開(kāi)發(fā)和器件制造技術(shù)的提高。塑料太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓通常為幾百毫伏，最高可超過(guò)1000mV。因而器件內(nèi)阻過(guò)大，缺陷較多，其短路電流一般很低，為毫安級(jí)。因此提高光子的收集效率、激子的界面分離、降低太

20、陽(yáng)電池的內(nèi)阻以增加短路電流稱(chēng)為塑料太陽(yáng)電池的研究重點(diǎn)。,圍繞提高有機(jī)太陽(yáng)電池效率的研究，在過(guò)去幾年中出現(xiàn)了大量的成果。從材料的選擇上，經(jīng)歷了有機(jī)染料、有機(jī)染料/無(wú)機(jī)材料、有機(jī)染料/有機(jī)染料、有機(jī)染料/聚合物材料、聚合物材料、聚合物材料/無(wú)機(jī)材料、聚合物材料/聚合物材料等階段；在器件結(jié)構(gòu)上，經(jīng)歷了單層器件、雙層器件和多層器件等階段。,Typical device configuration,P3HT PCBM,bulk-heterojunction(BHJ),Simpliest and the most practical device,Donor,Acceptor,Photovoltaic m

21、aterials,Fullerence derivative,PSC光電轉(zhuǎn)化機(jī)理,-3,-3.5,-4,-4.5,-5,-5.5,-6,HOMO,HOMO,LUMO,LUMO,Anode,PEDOT PSS,Cathode,DONOR “P,ACCEPTOR “N,Broad bandgapnarrow absorption to sunlight Low charge mobility Big separated energy of charge low LUMO energy level of PCBM,Problems:,Solutions (designed strategy for

22、polymer molecules ):,narrow bandgapDonor-acceptor conjugated polymers (D-A type) improve coplanarity downshift the HOMO of photovoltaic polymers,problems Smilowitz, L.; Heeger, A. J.; Wudl, F. Science 1992,258, 1474,BHJ 電池的優(yōu)點(diǎn),First, the light absorption by organic semiconductors only produces excito

23、ns (tightly bound electron-hole pairs), which need to travel to the DONORACCEPTOR interface to separate into energy-carrying charges. However, these excitons usually have a very short lifespan and a similarly short diffusion distance ( 10 nm). Thus, the minimized travel distance to the DONORACCEPTOR

24、 interface rendered by the BHJ configuration is beneficial for efficient exciton dissociation. Second, the BHJ maximizes the interfacial area between the DONOR and the ACCEPTOR, and allows one to employ films of thicknesses much larger (typically 100200 nm) than the exciton diffusion length ( 10 nm)

25、. A thick film can absorb more photons, thus more excitons can split into usable charges. Finally, the interpenetrating network of the BHJ offers charge transport pathways to assist the charge collection at the electrodes.,光伏聚合物材料,三個(gè)發(fā)展階段 第一階段：1990s poly2-methoxy-5-(2 -ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevin

26、ylene (MEHPPV) and (poly2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenevinylene (MDMOPPV)， 轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)3.3%； 第二階段：2000s P3HT，轉(zhuǎn)換效率 5%; 第三階段：從2000s后，過(guò)去幾年 很多超過(guò)7%，各種窄禁帶D-A聚合物或有機(jī)小分子,光伏聚合物材料,P3HT,Chemical Structures of PC61BM and PC71BM,Heeger,聚合物的禁帶寬度和HOMO、LUMO是影響電池性能的最重要的參數(shù)。 太陽(yáng)中最大光子流的密度接近700nm，對(duì)應(yīng)的最低能量約為1.77

27、eV（一般的共軛聚合物的禁帶寬度都在2.5以上）。 合成窄禁帶寬度的共軛聚合物，使其吸收能覆蓋紅外和近紅外，同時(shí)具有大的消光系數(shù)非常重要。,Energy diagram of donor and acceptor HOMO-LUMO levels showing three intercorrelated parameters. Eg is the band gap of the polymer, Ed （or EED）is the LUMO energy difference inducing a downhill driving force for electron transfer, a

28、nd Vb is the built-in potential which has a linear relationship with the open-circuit voltage.,給體材料的HOMO越低，則越容易實(shí)現(xiàn)電池大的開(kāi)路電壓，但是會(huì)寬化禁帶寬度，導(dǎo)致對(duì)太陽(yáng)光有效吸收的降低。 另外，給體材料的LUMO能級(jí)至少要比受體材料PCBM的LUMO高0.3eV，以保證有足夠的驅(qū)動(dòng)力，并可以克服激子之間的結(jié)合力，使電子順利流向受體。所以降低給體的LUMO能級(jí)，窄化禁帶時(shí)，有可能會(huì)妨礙有效的電子轉(zhuǎn)移。,分子設(shè)計(jì),要設(shè)計(jì)這樣的p-聚合物，一方面要盡量追求其具有低的禁帶寬度，同時(shí)要仔細(xì)地調(diào)整其H

29、OMO和LUMO能級(jí)。,能帶工程-窄禁帶材料,Aromatic and quinoid resonance forms of poly(p-phenylene),poly(p-phenylenevinylene), polythiophene, and polyisothianaphthene.The relative contribution of the mesomeric structures is represented by the size of the colored circles over the arrows,Poly-isothianaphthene，聚異硫茚,D-A聚合

30、物-窄禁帶材料,調(diào)整禁帶寬度的另一個(gè)有效方法是將富電子（D型）和缺電子（A型）的單元交替鍵接在聚合物主鏈上，這時(shí)可以得到禁帶非常窄的聚合物,氫鍵使其共平面性更好,ITO/PEDOT-PSS/PSBTBT:PCBM/Ca/Al,Jianhui Hou, and Yang Yang,J. AM. CHEM. SOC. 2008, 130, 1614416145,PCE of up to 5.1 % was observed under AM 1.5G, 100 mW/cm2 illumination, and the response range of the device covers the

31、whole visible range from 380 to 800 nm,EHOMO=-5.05eV ELUMO=- 3.27eV Eg=1.45eV,Jianhui Hou, and Yang Yang,J . AM. CHEM. SOC. 2009, 131, 1558615587(10月),ITO/PEDOT-PSS/Polymer:PC70BM/Ca/Al,The average PCE of the PBDTTT-based devices reached 6.3% with a champion PCE result of 6.58%.,材料老化與器件壽命問(wèn)題,Lifetime studies of modules,Lifetime Studies of Large Area Modules: Influence of Temperature,The stability is dependent on th