第4章有机柔性太阳能电池

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1、,第4章：有机柔性太阳能电池,4.1 概论,4.1概述,主要内容： 1、有机薄膜电池的结构； 2、有机薄膜电池材料种类及特性； 3、激子概念及类型； 4、有机柔性电池发电原理； 5、有机柔性电池的优缺点,4.1 概述,有机薄膜电池概念： 广义的讲有机太阳能电池主要是利用有机小分子或有机高聚物来直接或间接将太阳能转变为电能的器件。,4.1 概述,有机薄膜电池的归类： 太阳能电池材料类型,4.1 概述,有机薄膜电池的发展历史： 有机太阳能电池是一种正在进行研究的新型电池。有机太阳能电池这个概念貌似很新，但其实它的历史也不短跟硅基太阳能电池的历史差不多 。 第一个有机光电转化器件是由Kearns和C

2、alvin在1958年制备的，其主要材料为镁酞菁(MgPc)染料，染料层夹在两个功函数不同的电极之间。在那个器件上，他们观测到了200 mV的开路电压，光电转化效率低得让人都不好意思提 。,4.1 概述,有机薄膜电池的发展历史： 1986年，柯达公司的邓青云博士. 光电转化效率达到1左右。时至今日这种双层膜异质结的结构仍然是有机太阳能电池研究的重点之一。,4.1 概述,有机薄膜电池的发展历史： 1992年，土耳其人Sariciftci发现，激发态的电子能极快地从有机半导体分子注入到C60分子而反向的过程却要慢得多。 1993年，Sariciftci在此发现的基础上制成PPV/C60双层膜异质结

3、太阳能电池。此后，以C60为电子受体的双层膜异质结型太阳能电池层出不穷。,4.1 概述,有机薄膜电池的发展历史： 但激子仍只能在界面区域分离，离界面较远处产生的激子往往还没移动到界面上就复合了。而且有机材料的导电性很差，在界面上分离出来的载流子在向电极运动的过程中大量损失。这两点限制了双层膜电池的光电转化效率 。 研究人员在双层膜太阳能电池的基础上又提出了一个重要的概念：混合异质结(体异质结)电池。,4.1 概述,有机薄膜电池的结构：,1、玻璃,2、透明导电极,3、有机物半导体材料,4、金属电极,4.1 概述,有机薄膜电池材料的类型及性质：,1、施主材料 能够吸收太阳光并产生激子（电子-空穴对

4、） 容易给出电子，吸收空穴,2、受主材料 不能吸收太阳光并产生激子（电子-空穴对） 容易给出空穴，吸收电子,4.1 概述,有机薄膜电池的结构类型：,1、单层膜结构 两个金属电极之间夹一层有机物吸光材料。,2、双层膜结构 由一层施主有机材料和一层受主有机材料构成，交界面为平面。,4.1 概述,有机薄膜电池的结构类型：,3、体异质结（混合型） 施主材料和受主材料混合在一起，两种材料的交界面不是平面。,4.1 概述,激子的概念及激子类型：,1、激子概念 激子是被束缚的电子空穴对，是受激后的准粒子。光照后，电子吸收光子能量后摆脱有机分子束缚成为自由电子，但是电子-空穴仍相互吸引而成为激子，即激子是存在

5、相互作用的电子空穴对。,4.1 概述,激子的概念及激子类型：,2、激子类型 激子可以分为瓦尼尔-莫特激子和弗仑克尔激子。 瓦尼尔-莫特激子为松束缚激子，相互作用很弱，对应能量为0.01eV。存在于晶体硅中。 弗仑克尔激子为紧束缚激子，相互作用很强，对应能量为0.3eV。存在于有机施主材料中。,4.1 概述,激子的概念及激子类型：,3、激子自旋方向类型 单线态 激子 被激发的电子自旋方向与基态电子自旋方向相反。对有机电池发电有贡献，但复合非常快，少子寿命非常短（在纳秒量级）。 三线态 激子 被激发的电子自旋方向与基态电子自旋方向相同。对有机电池发电无贡献，但复合非常慢，少子寿命非常长（在毫秒量级

6、）。,4.1 概述,有机电池光伏发电原理：,1、施主材料吸收太阳光，产生单线态激子。 2、激子从施主材料扩散到界面处发生分离。 3、空穴通过施主材料传输到透明电极处，并被电极收集。 4、电子通过受主材料传输到电极处，并被金属电极收集。,4.1 概述,有机电池光伏发电损耗：,1、单线态激子寿命很短，很容易重新复合。 2、分离后的电子和空穴在界面处又可能重新复合。 3、半导体导电性差造成串联电阻损失。,4.1 概述,有机柔性电池的优点：,1、设备成本低。 2、原材料用量少（100纳米）。 3、电性能可调，可以按照需要合成有机物，调节吸收光谱和导电特性。,4.1 概述,有机柔性电池的缺点：,1、电子

7、-空穴分离较难。 2、有机物半导体导电性差，损耗大。 3、转换效率衰减快，使用寿命低于无机半导体电池。 4、器件不易封装严密，易受潮而失效。,第二次作业,1、通过对比无机薄膜电池的发电量比晶体硅电池的年发电量要高，简述主要原因。 2、简述薄膜电池有哪些优点。 3、简述在非晶硅三结叠层电池中，各结电池材料的特点。,第三次作业,1、简述镓铟铜硒（CIGS）电池有哪些优势。 2、简述大规模发展镓铟铜硒和碲化镉电池会遇到什么问题。 3、简述有机电池光伏发电原理。,4.2 体异质结电池,4.2体异质结电池,主要内容： 1、双层膜电池结构缺点； 2、体异质结电池结构优、缺点； 3、体异质结电池产生激子后的

8、三种情况； 4、施主-受主界面的形式类型； 5、施主、受主材料,4.2体异质结电池,双层膜电池结构缺点：,1、电由于激子寿命非常短，在还没有扩散到交界面分离时，就复合掉了。,4.2体异质结电池,体异质结电池结构的优、缺点：,1、缩短了激子扩散到交界面的距离，从而减少了激子的复合。 2、受主材料变薄，受主吸收电子能力变差。,4.2体异质结电池,体异质结中产生激子后的三种情况：,1、扩散到界面处分离为电子-空穴。 2、激子复合。 3、分离后的电子-空穴重新回到界面处复合。,4.2体异质结电池,施主、受主界面形式：,1、双层膜异质结。 2、体异质结。 3、分子异质结。,4.2体异质结电池,施主、受主

9、界面形式：,4、双轴型聚合物。,4.2体异质结电池,施主、受主材料：,1、施主材料。 常用不掺杂的共轭聚合物作施主材料，具有可溶性，,4.2体异质结电池,施主、受主材料：,2、受主材料。 富勒烯衍生物作为受主材料，高度可溶。,4.3 有机柔性电池优化,4.3有机柔性电池优化,主要内容： 1、有机柔性电池优化方向； 2、效率机极限计算； 3、有机双结叠层电池；,4.3 有机柔性电池优化,有机柔性电池优化方向：,1、促进电子-空穴的分离，减少复合。 增加退火工艺和改进溶剂 2、加快载流子的传输减小串联电阻损耗。 改善施主、受主材料排列的整齐性 3、增加吸光的波长范围 采用叠层电池结构设计,4.3

10、有机柔性电池优化,Shockley-Queisser效率极限计算：,1、课本理论计算假设条件。 2、有机物电池理论效率极限低于无机物电池理论效率极限。 3、有机物电池理论效率极限与吸光层的厚度及复合强度有关。 4、有机物的最佳带隙大于无机物的最佳带隙,4.3 有机柔性电池优化,有机双结叠层电池：,1、不同电池的吸光材料不同，吸收不同波段的的入射光。 2、叠层电池的电流，以两结电池电流中最小的电流为准。 3、电压为两结电池电压之和。,4.4 卷对卷技术,4.4卷对卷技术,主要内容： 1、有机柔性电池生产技术； 2、不同溶剂效果对比； 3、卷对卷生产工艺；,4.4卷对卷技术,有机柔性电池生产技术：

11、,1、喷涂生产技术。 2、涂刷生产技术。,4.4 卷对卷技术,卷对卷生产技术：,4.4 卷对卷技术,卷对卷生产技术：,4.4 卷对卷技术,喷墨印刷技术：,4.4 卷对卷技术,有机柔性电池生产技术：-油墨,油墨由施主材料、受主材料和溶剂组成。共轭聚合物为施主材料，富勒烯为受主材料，溶剂采用四氢化奈（或68%的邻二氯苯和32%的均三甲苯）。,4.4 卷对卷技术,有机柔性电池生产技术：-ITO缓冲层,聚乙撑二氧噻吩-聚乙烯磺酸盐（PEDOT-PPS）。,4.4 卷对卷技术,有机柔性电池生产技术：-电池均匀性控制,1、油墨的浓度、黏度和温度的稳定性； 2、机械结构精密保证喷涂压力稳定； 3、衬底移动速

12、度稳定,4.4 卷对卷技术,不同溶剂效果对比,1、采用四氢化奈溶剂制备的表面比68%的邻二氯苯和32%的均三甲苯溶剂制备的表面要粗糙。 2、邻二氯苯和均三甲苯溶剂制备的电池的短路电流和开路电压都要高。,4.4 卷对卷技术,发电纤维,1、把太阳能电池集成于纺织品。,4.5 涂刷技术,4.5 涂刷技术,主要内容： 1、涂刷技术基本要素； 2、涂刷技术基本过程； 3、涂刷技术与其它技术对比；,4.5 涂刷技术,涂刷技术基本要素： 5、涂刷速率 涂刷速率合适，保证膜层的均匀性。,4.5 涂刷技术,涂刷技术基本工艺过程： 1、油墨通过涂刷均匀涂在缓冲层PEDOT-PSS上； 2、将衬底加热到50度，使溶

13、剂快速挥发； 3、加热到110度退火7min，使聚合物排列更整齐。,4.5 涂刷技术,其他薄膜技术： 1、刮片法； 2、旋涂法； 3、浸涂。,4.5 涂刷技术,涂刷技术与其他薄膜技术对比： 1、涂刷技术制备的薄膜均匀性好及工艺稳定重复性好；因而电池的转换效率要高，且转换效率波动小。,4.5 涂刷技术,涂刷技术与其他薄膜技术对比： 体异质结是一种双连续穿插网络。,4.6 有机柔性电池的产业化,4.6 有机柔性电池的产业化,进来有机太阳能电池效率发展： 在2011年7月，加州大学洛杉矶分校加州纳米技术研究院。制成的设备具有新的“串联”结构，可以结合多个电池，具有不同的吸收频段。这种设备认证的光电转

14、换效率是8.62。 进一步，研究人员集成了一种新的红外吸收高分子材料，这种材料的开发者是日本住友化学公司，光电转换效率跃升至10.6。,4.6 有机柔性电池的产业化,有机太阳能电池效率提升方向,4.6 有机柔性电池的产业化,有机太阳能电池效率提升方向 1、使聚合物形成小于10纳米的纳米结构，排列更加整齐有序； 2、开发窄带隙聚合物（1ev），提高导电性（载流子迁移率）； 3、提高施主、受主界面能级差，有效分离电子-空穴（激子）；,4.6 有机柔性电池的产业化,美国科纳卡(Konarka)公司-有机柔性电池,6.2 量子阱太阳能电池,8、纳米天线太阳能电池技术：,采用纳米材料结构，利用光是一种电

15、磁波，利用天线对电磁波吸收的原理制成。,6.2 量子阱太阳能电池,主要内容：,1、第三代太阳能电池技术的类型 2、各种太阳能电池技术的特点 3、量子点和量子阱太阳能电池,6.2 量子阱太阳能电池,量子点太阳能电池量子点材料：,量子点(QuantumDots一QDs)是准零维的纳米材料，由少量的原子所构成。是指颗粒半径(或三个维度的尺寸)小于材料激子玻尔半径的金属或半导体颗粒，因此量子点又被称为“人造原子”。,6.2 量子阱太阳能电池,量子点太阳能电池量子点材料特点：,1、具有多载流子效应：一个光子产生多个电子-空穴对。 2、具有热载流子效应：在量子点中，热载流子冷却速率会戏剧性地减少。 3、具

16、有多带隙的特征。,6.2 量子阱太阳能电池,量子点太阳能的结构类型：,1、PiN结构量子点太阳能电池。 2、染料敏化量子点太阳能电池。 3、量子点分布在有机物太阳能电池中。,6.2 量子阱太阳能电池,量子点太阳能电池结构类型及特点：,1、PiN结构量子点太阳能电池。 量子点结构位于电池的i层。起到吸收太阳能光，产生载流子的作用。,6.2 量子阱太阳能电池,量子点太阳能电池结构类型及特点：,2、染料敏化量子点太阳能电池。 量子点敏化电池是用量子点替代染料分子。相对于染料分子，量子点具有光学特性可调、与固态空穴导体形成更好的异质结、以及具有多载流子效应等优势。,6.2 量子阱太阳能电池,量子点太阳能电池结构类型及特点：,2、染料敏化量子点太阳能电池。 量子点敏化叠层电池，采用不同带隙宽度的量子点材料吸收不同波段的太阳光。,6.2 量子阱太阳能电池,量子点太阳能电池结构类型及特点：,3、量子点分布在有机物太阳能电池中。 量子点分散在电子导电聚合物和空穴导电聚合物的混合物中（是基于量子点发光二极管的反结构）。,6.2 量子阱太阳能电池,主要内容：,1、第三代太阳能电池技