光伏材料概述

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1、聚合物太阳能电池光伏材料摘要: 聚合物太阳能电池由于成本低廉、轻薄灵活、光伏材料分子结构的可 设计性等优点成为近年来太阳能电池研究与开发的热点。光电转化效率较低一直 是制约此类电池商业化的关键问题, 而影响效率的因素包括电池结构、光伏材料 的选择、以及电池的组装技术等。关键词: 太阳能电池; 光伏材料; 工作原理; 聚合物光敏层; 结构太阳能作为一种易于获取、安全、洁净无污染的新能源为人们解决能源危机 提供了新的思路。利用太阳能最有效的方式之一是太阳能电池技术, 1954 年美国 贝尔实验室成功研制出效率为 6% 的实用型单晶硅电池为太阳能电池技术的研 究拉开了序幕 。目前已开发和研究的太阳能

2、电池有硅太阳能电池、无机化合物 半导体太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机小分子太阳能电池以及聚合物太 阳能电池 1 。同其它几种太阳电池相比, 聚合物太阳能电池具有原料广、成本 低、光伏材料可以自行设计合成以及可制备成柔性器件等诸多优点, 成为近年来 国际上前沿科学的研究热点之一。在聚合物太阳能电池中，我们通常将P型材料称为给体材料（D）,把N型 材料称为受体材料（A）。与无机太阳电池相比，聚合物太阳能电池的工作原理 虽然也是基于 P N 结光生伏打效应2 ， 但当光照射到聚合物电池材料时， 光 子被吸收后会产生激子 （ 电子-空穴对） 而非直接产生载流子 （ 自由电子或空 穴）。激子扩散到

3、给体受体的接触界面后分离为自由电子和空穴，在内建电场 的驱动下自由电子通过受体材料通道迁移至阳极 ， 空穴通过给体材料通道迁移 至阴极， 从而产生光电流3 （ 如图 1 所示） 。Ft太 受体图 1 聚合物太阳能电池原理1 聚合物太阳能电池光敏层的结构 聚合物太阳能电池由聚合物光敏层、阴阳极以及部分调节光的附加层组成 , 其中聚合物光敏层的性能对整个电池的性能起着至关重要的作用 , 其结构包括 单层结构和异质结型结构。早期的聚合物太阳能电池是用纯聚合物聚对苯撑乙烯 ( PPV) 制备的单层结构器件。以下分别概述了几类异质结型电池。1.1 双层结构电池Tang 等 制成了第一个由电子给体 CuP

4、c 和电子受体 PV 组成的双层有机薄 膜太阳能电池，器件结构为IT 0/ CuPc/ PV / Ag,器件效率为1%。此结构作为 首例异质结型聚合物太阳能电池, 其优点是将内建场存在的结合面与金属电极 隔开, 形成异质结的 D/ A 界面为激子的离解阱, 避免了激子在电极上的失活。 由于有机半导体之间的化合键作用, D/ A 界面的表面态减少, 从而降低了表面 态对载流子的陷阱作用 , 但其效率仍然较低, 究其原因主要有: 一方面, 聚合 物材料的光谱吸收和太阳光谱不能很好地匹配 , 使得在太阳辐射中很大部分的 光能不能被器件所吸收产生光激子 ; 另一方面由于聚合物材料较差的电荷传输 能力，

5、很多激子不能传输到结面而被复合损失掉。典型双层电池结构如图2(a) 所示 。图 2（ a） 双层聚合物太阳电池结;（ b） 本体异质结聚合物太阳电池结构1.2 体异质结型聚合物太阳能电池针对D/ A双层结太阳能电池的缺点，Yu等把电子给体MEHPPV（聚2-甲氧基 5（2-乙基）己氧基-对苯撑乙撑）和电子受体PCBM（6,6-苯基C61 丁酸甲酯）共 溶于一个有机溶剂中，然后通过旋涂等方法制成了D相和A相互相渗透并各自 形成网络状连续相的共混薄膜, 也就是所谓的体相异质结结构（ 如图 2（ b） 所 示），这种结构克服了双层结构电池D/A接触界面小的缺点，大幅度增大了 D/ A 界面, 有效地

6、实现了激子的分离, 使其能在各自网络中快速传输, 并且电子 和空穴也不容易相互接近而复合， 大幅度提高了能量转换效率。1.3 叠层结构的聚合物太阳能电池为了进一步提高器件的效率， 人们提出了制备叠层结构4的多结聚合物太 阳能电池的构想。这种结构将不同带隙的聚合物薄膜层在电池顶部堆砌起来， 拓 宽了光敏层对太阳光谱的响应范围， 使高带隙聚合物材料层的吸收高能量光子， 产生较高的电压， 低带隙层吸收低能量光子， 这样形成一个序列式结构， 电池 的总电压为每一个级联结构子电池的电压之和， 这种结构提高了器件的总电压 从而提高了能量转化效率。2 聚合物太阳能电池光伏材料聚合物太阳能电池光伏材料主要包括

7、电子给体和电子受体材料二大类， 它们 构成 P/ N 结或本体异质结为此类电池的正常工作提供了保证。2.1 受体材料2.1.1 无机半导体纳米晶类受体材料 无机半导体纳米晶5 是一类常见的无 机类电子受体。其作为电子受体材料与电子给体形成共混型的 D/A 型互穿网络 结构综合了两种材料的优点， 既利用了无机纳米晶载流子迁移率高、化学稳定性 好, 特别是某些纳米晶在近红外有较强吸收的特点 , 又保留了聚合物材料良好 的柔韧性和可加工性。图 4 苝二酰亚胺的分子结构212有机类受体材料 苝酰亚胺及其衍生物具有大的共苯环平面和 两个亚胺环结构，因此具有高的电子亲和势，是一类较好的N型材料。当在其 可

8、修饰部分(如图4所示)1、6、7、12这4个苝湾(bayregions)及亚胺(imide regions) 区域进行其它给、吸电子基团的修饰后， 可以很好地调整它的 HOMO 和 LUMO 能级， 从而使其能够与给体材料的能级进行很好的匹配， 提高电池器 件的效率。213聚合物受体材料 通过对聚合物主链进行不同取代基的修饰也 可以使聚合物成为电子受体材料。常用聚合物受体材料有PPVS( CN-PPV S)、 芳杂环类聚合物和梯形聚合物等。214富勒烯及其衍生物类受体材料 C60 作为一类性能比较优异的受体60材料其在聚合物太阳能电池方面的应用最为广泛。C60衍生物PCBM拥有以下几60个优点

9、6 : ( 1) 在聚合物与 PCBM 所形成的 P-N 结处光生载流子的传输速率相 当快， 约为 50fs 以下;(2) 拥有较高的电荷迁移率， 如 PC60 BM 的电子迁移率60为可以达到lcm2s- 1 V- 1 ; ( 3)在共混膜当中能显示出良好的相分离。22 给体材料聚合物太阳能电池的给体材料一般为n共轭的光活性高分子材料OPPV类给 体材料是近年来在光电领域应用最广泛、制得器件效率最高的材料之一， 它有良 好的溶解性和易修饰性， 但本征态 PPV 类材料对可见光区覆盖区域比较窄， 且 能带隙较大, 因此需要对其进行修饰。常见的修饰方法包括: ( 1) 通过改进聚 合方法得到区域

10、规整的聚合物, 这种高度有序的分子结构增强了聚合物材料对 光的吸收进而提高了材料对载流子的迁移率7 ; ( 2) 通过引入不同的取代基团 ( 如烷基侧链、空穴传输基团三苯胺 ) 以提高载流子迁移率和生命时间 8 。为了优化光敏层膜的微观形貌, Botiz 等9 的设计了新思路: 依靠聚合物 的自组装来形成理想的形貌。他们将P3HT与可降解的聚左旋丙交酯(PLLA)通 过共价键相连形成嵌段共聚物, 由于二者之间的不相容性以及 PLLA 的生物可 降解性, 微相分离之后便形成特定有序的纳米尺度微观形貌, 此时可降解的 PLLA 能够从整个链段上完全去除, 这为下一步 C60 的加入提供了完美的通道

11、。同P3HT与PCBM的简单共混聚合物本体异质结太阳能电池相比，这种特定的结 构能够显著提高载流子迁移率, 进而提高整个器件的效率。3 展望同无机太阳能电池相比, 制约聚合物太阳能电池商业化的主要因素是器件的能 量转化效率偏低, 目前最高的转化效率 6.77%， 这项结果得到了美国国家能源部 可再生能源实验室的验证10 。而无机太阳能电池目前最高转化效率为 24.7%。 为进一步提高聚合物太阳能电池的能量转化效率、扩大其使用范围， 应从以下几 个角度作为研究出发点:( 1) 增加光敏层材料与太阳光谱的匹配性。( 2) 提高载流子迁移效率及电极对载流子的收集效率( 3) 电池的制作工艺、电池的使

12、用寿命和稳定性等有待进一步研究和提高参考文献: 1 赵云, 郭晓阳, 谢志元. 分子科学学报, 2007, 23( 1) : 1 8.2 Fehse K, Walz er K, Leo K, Lovenich W, Els chner A. Adv Mat er, 2007, 19( 3) : 441 444. 3 Ah lsw ede E , Muhl eisen W, Wahi M W b M, H anis ch J, Pow all a M. Appl Ph ys Let t ,2008, 92( 14) : 143307 143307 34 McGehee M D. Natur e

13、Ph ot onics, 2009, 3( 5) : 250 252.5 Denn ler G, Sch arb er M C , Ameri T , Denk P, Forberich K, Waldauf C, Brabec C J. Adv Mater, 2008, 20( 3) : 579 583.6 Cai W Z, Gong X, Cao Y. Sol Energy Mater Sol Cells, 2010, 94( 2) : 114 127.7 Suzuki Y, Hashimoto K, Tajima K. Macromolecules, 2007, 40 ( 18) : 6521 6528.8 Hua J, Men g F S, Li J, Ding F, Fan X, Tian H. Eur Polym J, 2006, 42( 10) : 2686 2694.9 BotizI, Darling S B. Macromolecules, 2009, 42( 21): 8211 8217.10 Chen H Y Hou J H , Zhan g S Q, Liang Y Y, Yang G W, Yang Y, YuL P, Wu Y, Li G. Nature Photonics, 2009, 3( 11) : 649 653.