光电高分子材料优秀课件.ppt

光电高分子材料第1页，本讲稿共18页光电高分子材料光电高分子材料物理化学功能材料：物理化学功能材料：l l电学功能材料，如导电性高分子、超导性高分子、感电性高分子等电学功能材料，如导电性高分子、超导性高分子、感电性高分子等l l光学功能材料，如感光性高分子、导光性高分子、光敏性高分子等光学功能材料，如感光性高分子、导光性高分子、光敏性高分子等l l能量转换功能材料，如压电性高分子、热电性高分子等能量转换功能材料，如压电性高分子、热电性高分子等第2页，本讲稿共18页信息科学中的高分子材料信息科学中的高分子材料导电高分子材料导电高分子材料导电高分子材料导电高分子材料光敏高分子材料光敏高分子材料光敏高分子材料光敏高分子材料高分子光传输材料高分子光传输材料高分子光传输材料高分子光传输材料光电光电光电光电转化转化转化转化高分高分高分高分子材子材子材子材料料料料第3页，本讲稿共18页全塑光全塑光缆高分子光高分子光传输材料材料 19701970年美国康宁公司研制出石英玻璃光年美国康宁公司研制出石英玻璃光导纤维导纤维，同年，同年贝尔贝尔又又试试制成半制成半导导体激光器，体激光器，这这两两项项新技新技术术的的结结合，开合，开创创了光了光信息信息传输传输的新的新时时代。代。玻璃光玻璃光纤纤具有具有传输带宽传输带宽大、大、损损耗低、抗耗低、抗电电磁干磁干扰扰、节约节约能源能源的的优优点。点。第4页，本讲稿共18页硅的终结者：导电高分子材料硅的终结者：导电高分子材料 什么是导电高分子？什么是导电高分子？要使高分子材料导电就必须能模拟金属的行为，亦即电子必要使高分子材料导电就必须能模拟金属的行为，亦即电子必须能不受原子的束缚而能自由移动，要达到此目的的第一个须能不受原子的束缚而能自由移动，要达到此目的的第一个条件就是这个聚合物应该具有交错的单键与双键，亦称为条件就是这个聚合物应该具有交错的单键与双键，亦称为“共轭共轭”双键。双键。为了使共轭高分子导电，必须要做参杂。这和半导体经过参杂为了使共轭高分子导电，必须要做参杂。这和半导体经过参杂后提高导电率类似。后提高导电率类似。第5页，本讲稿共18页光敏高分子材料光敏高分子材料 光敏高分子化学是高分子化学与光化学两个极为重要的学科交叉的产光敏高分子化学是高分子化学与光化学两个极为重要的学科交叉的产物。光化学是指在光作用下发生的化学变化。光化学反应的重要特点物。光化学是指在光作用下发生的化学变化。光化学反应的重要特点在于它的选择性，反应物分子只有吸收特定的波长的光才能发生反应。在于它的选择性，反应物分子只有吸收特定的波长的光才能发生反应。一般化学反应的反应物要通过一个能量较高的过渡状态再生成产物一般化学反应的反应物要通过一个能量较高的过渡状态再生成产物（如爬山），与此不同，光化学反应的反应物好像是处于颠峰上的物（如爬山），与此不同，光化学反应的反应物好像是处于颠峰上的物质，它的反应意味着选择下山的路线。质，它的反应意味着选择下山的路线。与光化学关系较为密切的是紫外光，因为阳光中紫外线的含量较少。与光化学关系较为密切的是紫外光，因为阳光中紫外线的含量较少。第6页，本讲稿共18页光电转化高分子材料聚合物太阳能电池第7页，本讲稿共18页内容研究背景太阳能电池相关原理设想第8页，本讲稿共18页研究背景研究背景能源问题是人类面临的最现实问题。它不仅能源问题是人类面临的最现实问题。它不仅仅表现在常规能源的不足，更重要的是化石仅表现在常规能源的不足，更重要的是化石能源的开发利用带来的诸多环境问题。目前能源的开发利用带来的诸多环境问题。目前全球热点问题是如何迎接在能源短缺和环境全球热点问题是如何迎接在能源短缺和环境保护双重制约条件下实现经济和社会可持续保护双重制约条件下实现经济和社会可持续发展的重大挑战。发展的重大挑战。太阳能是可再生能源，是真正意义上的环保太阳能是可再生能源，是真正意义上的环保洁净能源，其开发利用必将得到长足的发展，洁净能源，其开发利用必将得到长足的发展，并终将成为世界能源结构中的主导能源。太并终将成为世界能源结构中的主导能源。太阳能的开发利用必将得到长足的发展，并终阳能的开发利用必将得到长足的发展，并终将成为世界能源结构中的主导能源。将成为世界能源结构中的主导能源。第9页，本讲稿共18页太阳能电池分类太阳能电池分类传统传统太阳能太阳能太阳能太阳能电电池池池池：晶体硅太阳能电池晶体硅太阳能电池 非晶硅太阳能非晶硅太阳能电电池池 化合物半化合物半导导体太阳能体太阳能电电池池 纳纳米晶化学太阳能米晶化学太阳能电电池池有机有机有机有机 聚合物太阳能聚合物太阳能聚合物太阳能聚合物太阳能电电池池池池第10页，本讲稿共18页 光光电转换电转换材料是一种能将光通材料是一种能将光通过过一定的物理或化学方法一定的物理或化学方法变变成成电电能的功能材料，是材料科学研究能的功能材料，是材料科学研究领领域的一个域的一个热热点。点。光光电转换电转换材料最重要的用途是制作太阳能材料最重要的用途是制作太阳能电电池。池。硅太阳能硅太阳能硅太阳能硅太阳能电电池池池池 成本昂成本昂贵贵、工、工艺艺复复杂杂、材料要求苛刻。、材料要求苛刻。有机光有机光有机光有机光电电池池池池 潜在的低成本、潜在的低成本、轻轻重量和分子水平的可重量和分子水平的可设计设计性。性。光电转换材料第11页，本讲稿共18页有机有机/聚合物太阳能电池聚合物太阳能电池聚合物太阳能电池一般由共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受聚合物太阳能电池一般由共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受体的共混膜夹在体的共混膜夹在ITOITO透明正极和金属负极之间所组成，具有结透明正极和金属负极之间所组成，具有结构和制备过程简单、成本低、重量轻、可制备成柔性的器件构和制备过程简单、成本低、重量轻、可制备成柔性的器件等突出优点。近年来成为国内外研究热点。等突出优点。近年来成为国内外研究热点。结构规整的聚结构规整的聚(3-(3-己基己基)噻吩噻吩(P3HT)(P3HT)和可溶性和可溶性C60C60衍生物衍生物PCBMPCBM是最具代表性的给体和受体光伏材料。基于是最具代表性的给体和受体光伏材料。基于P3HT/PCBMP3HT/PCBM的光伏器件能量转换效率稳定达到的光伏器件能量转换效率稳定达到3.53.54.0%4.0%左左右，使这一体系成为聚合物太阳能电池研究的标准体系。右，使这一体系成为聚合物太阳能电池研究的标准体系。但但P3HT/PCBMP3HT/PCBM体系也存在电子能级匹配性不好（体系也存在电子能级匹配性不好（P3HTP3HT的的HOMOHOMO能级太高或者说能级太高或者说PCBMPCBM的的LUMOLUMO能级太低）的问题，能级太低）的问题，这导致了器件的开路电压较低，只有这导致了器件的开路电压较低，只有0.6V0.6V左右，这限制了左右，这限制了其能量转换效率的进一步提高。其能量转换效率的进一步提高。第12页，本讲稿共18页 到目前为止，研究的光导电性高分子有下面几类：到目前为止，研究的光导电性高分子有下面几类：(1)(1)链中含有共轭键的聚合物，如聚乙炔、聚席夫碱、聚多烯、链中含有共轭键的聚合物，如聚乙炔、聚席夫碱、聚多烯、聚硅烷等；聚硅烷等；(2)(2)侧链或主链中含有稠合芳烃基的聚合物；侧链或主链中含有稠合芳烃基的聚合物；(3)(3)侧链或主链具有杂环的聚合物，如聚乙烯咔唑及其侧链或主链具有杂环的聚合物，如聚乙烯咔唑及其衍生物；衍生物；(4)(4)一些生物高分子及其类似物。其中，聚乙烯咔唑及衍一些生物高分子及其类似物。其中，聚乙烯咔唑及衍生物是当今研究较多，应用开发较好的一类光电材料。生物是当今研究较多，应用开发较好的一类光电材料。第13页，本讲稿共18页光电响应原理n n在在聚聚合合物物太太阳阳能能电电池池中中光光电电响响应应过过程程是是在在光光敏敏层层中中产产生生的的.共共轭轭聚聚合合物物吸吸收收光光子子以以后后并并不不直直接接产产生生可可自自由由移移动动的的电电子子和和空空穴穴,而而产产生生具具有有正正负负偶偶极极的的激激子子(exciton).(exciton).只只有有当当这这些些激激子子被被解解离离成成可可自自由由移移动动的的载载流流子子,并并被被相相应应的的电电极极收收集集以以后后才才能能产产生生光光伏伏效效应应.否否则则,由由于于激激子子所所具具有有的的高高度度可可逆逆性性,它它们们可可通通过过发发光光、弛弛豫豫等等方方式式重重新新回回到到基基态态,不不产产生生光光伏伏效效应应的的电电能能.在在没没有有外外加加电电场场的的情情况况下下,如如何何使使光光敏敏层层产产生生的的激激子子分分离离成成自自由由载载流流子子便便成成为为聚聚合物太阳能电池正常工作的前提条件。合物太阳能电池正常工作的前提条件。第14页，本讲稿共18页离子分离电子给体/受体方式是实现有机光伏电池中激子分离的有效途径.因此,光敏层至少要使用两种功能材料(或组分),即电子给体(donor或D)与电子受体(acceptor或A)组成.目前D相材料主要使用共轭聚合物,如PPV,聚噻吩和聚芴的衍生物,但它们的能带间隙较高.最近发展了低能带间隙的电子给体材料如噻吩、芴、吡嗪等的共聚物;而常用的A相材料主要是有机受体C60及其衍生物,纳米ZnO,CdSe等无机受体材料以及含有氰基等吸电子基团的共轭聚合物受体材料.为了使激子过程得以顺利进行,要求所选用电子给体的最低空轨道(LUMO)能级比电子受体的LUMO能级稍高,这样在能量的驱动之下,电子由D相的LUMO转移到A相的LUMO上.一般情况下,D相的LUMO能级比A相的LUMO能级高0.30.4eV时就能使激子有效地分离成自由载流子。第15页，本讲稿共18页设想设想高分子光电转换材料高分子光电转换材料倍受关注的高分子材料为倍受关注的高分子材料为倍受关注的高分子材料为倍受关注的高分子材料为P3HTP3HTP3HTP3HT，PCBMPCBMPCBMPCBM P P型半导体材料型半导体材料P3HTP3HT，是一种好的电子施主材料，与之，是一种好的电子施主材料，与之前用的前用的PPVPPV类材料相比，类材料相比，P3HTP3HT具有更低的能隙以利于对于具有更低的能隙以利于对于太阳光长波段的吸收，同时太阳光长波段的吸收，同时P3HTP3HT具有好的分子间序和更好具有好的分子间序和更好的载流子迁移能力，尤其是空穴传输率可达的载流子迁移能力，尤其是空穴传输率可达1010-2-2cmcm2 2v v-1-1s s-1-1，通过研究发现经过后期处理，通过研究发现经过后期处理(如退火和电场处理如退火和电场处理)可可以更好地改善器件性能以更好地改善器件性能第16页，本讲稿共18页 PCBMPCBM是一种是一种电电子受主材料，是子受主材料，是C60C60的一种衍生物，与的一种衍生物，与C60C60相比相比PCBMPCBM的溶解性更好，同的溶解性更好，同时时具具备备C60C60类类的的优优点点(如有好的如有好的电电子子亲亲和和势势，透明性好和良好的透明性好和良好的电电子子传输传输性能性能)；但是由于；但是由于C60C60对对称性很高，使得称性很高，使得C60PCBMC60PCBM最低能量最低能量转换转换在形式上表在形式上表现为现为偶极禁阻，因此在可偶极禁阻，因此在可见见光光区域的光吸收系数很低，区域的光吸收系数很低，如果能用一种如果能用一种对对称性比称性比较较低的富勒低的富勒烯烯 来代替它，光吸收程度将来代替它，光吸收程度将获获得提高得提高第17页，本讲稿共18页谢谢观赏Make Presentation much more fun第18页，本讲稿共18页