太阳能电池高分子材料的研究进展.doc
太阳能电池高分子材料的研究进展 姓名： 钟魏 学号： 5801209038 班级：测仪091 摘要：综述了国内外高分子太阳能电池的研究现状和最新研究，以及高分子太阳能电池的发展前景。 关键词：能源，高分子太阳能电池，半导体，载流子 。 ABSTRACT：Reviewed the research status of polymer solar cells and recent research and development prospects of polymer solar cells. KEYWORDS：Energy, polymer solar battery, semiconductor, charge carriers.一 研究背景 能源问题是2 l 世纪人类社会可持续发展所面临的重大挑战之一。目前，全球总能耗的7 4 来自 煤、石油、天然气等化石能源。据 2 0 0 4年发表的 欧盟光伏研发路线图指出， 2 0 0 0年常规能源和核能 在能源结构中的比例大约为8 0 ，可再生能源的比 例为2 0 。在可再生能源中主要是生物质能，太阳 能微不足道。但是，2 0 5 0年常规能源和核能的比例 下降到4 7 ，可再生能源上升到 5 3 。在可再生能 源中，太阳能占据首位，占总能源的2 9 ，特别值 得指出的是太阳能发电将占总能源的2 5 。 到2 1 0 0 年，可再生能源例进一步扩大到 8 6 ，太阳能和太 阳能发占总能源的6 7 和 6 4 。由此可见，本世纪 内太阳能和太阳能发电在能源结构中的地位将发 生巨大的变化。 我国近年来在可再生能源方面加大了投入， 实 施了多项促进光伏产业发展的计划，如 2 0 0 3年国 家投入 2 0亿元实施的西部光明工程。我国于2005年通过了第一部可再生能源利用法。在这个积极政策的引导下我国也已成为全球最大的光伏产业基地，截至2007年底太阳能发电量达到1.1吉瓦，占全球太阳能发电总量的27.5%。2008年中国太阳能发电量全球第一，此外，我国还提出了到2010 年实现单位国内生产总值能源消耗比2005年降低20%左右2020年可再生能源在能源结构中的比例争取达到16%等一系列目标。现在，人们越来越认识到太阳能的重要价值。特别是在当前世界各国面临能源日益紧缺的情况下，人们已把太阳能作为开发利用的现代主要新能源之一，因此，向太阳这个取之不尽的能源宝库索取能量，实现人类历史上的能源变革，已成为今后能源开发的主要趋向，10年后中国太阳能发电总量将相当于1.5个左右的“三峡水电站”。二 国内外研究现状及发展趋势 目前研究和应用最广泛的太阳电池主要是单晶硅、多晶硅和非晶硅系列电池，但由于其生产工艺复杂、成本高、难设计、不透明以及基本达到其转换效率极限等问题，使其大面积实用化受到很大的限制。要使太阳能发电得到大规模推广，就必须 降低太阳能电池材料的成本，或找到更廉价的太阳能电池材料。而有机聚合物太阳能电池以其低成本、轻重量、分子上的可设计性、生产工艺简单、可实现大面积柔性太阳能电池等优点，日益被人们 所重视。尽管目前有机聚合物太阳能电池光电转换效率低，大约为7.9 ，还不能与无机半导体太 阳能电池相抗衡，但它可作为用于高日照、尚不具 备开发价值地区( 如沙漠) 等的低值光电转换设备而 投入实际应用。 为此， 各国研究人员都在不断进行有机聚合物太阳能电池的研究，期望能得到新的多功能和高效率的太阳能电池。无论从材料角度还是器件角度 讲，化学家、物理学家和材料学家都对有机聚合物 太阳能电池进行了较深入的研究，在获得大量可喜 成果的同时，也面临着新的挑战，如提高有机聚合物太阳能电池的光电转换效率等。有关人士推论有机聚合物太阳能电池的光电转换效率在将来几年中有望突破 10% ，如能达到这一转换效率，用有机聚合物材料制作的太阳能电池将具有巨大的市场。与无机硅太阳能电池相比，在转换效率、光谱响应范围、电池的稳定性方厩，有机太阳能电池还 有待提高。各种研究表明，决定光电效率基本损失机制的主要有： ( 1 )半导体表面和前电极的光反射； ( 2 )禁带越宽，没有吸收的光传播越大( 3 )由高能光子在导带和价带中产生的电子和空穴的能量驱散； ( 4 )光电子和光空穴在光电池光照面和体内的复合； ( 5 ) 有机染料的高电阻和低的载流子迁移率。 分析原因，主要是由于： ( 1 )高分子材料大都为无定型，即使有结晶 度，也是无定型与结晶形态的混合，分子链间作用力较弱。光照射后生成的光生载流子主要在分子内 的共轭价键上运动，而在分子链间的迁移比较困 难，使得高分子材料载流子的迁移率一般都很低。 ( 2 )高分子材料的禁带宽度 E g ，通常键分子链的E g 范围是7. 6 -9 e V， 共轭分子E g 范围是1 .4 4 2 e V。掺杂后导电高分子的 E g虽然会下降，但与 无机半导体 S i 、G e等相比E g依然很高，因此有机 太阳电池与无机太阳电池载流子的产生过程有很 大的不同。有机高分子的光生载流子不是直接通过 吸收光子产生，而是先产生激子，然后再通过激子的离解产生自由载流子，这样形成的载流子容易成对复合，最后使光电流降低。 ( 3 )共轭聚合物掺杂均为高浓度掺杂，这样 虽能保证材料具有较高的电导率，但载流子的寿命与掺杂浓度成反比，随着掺杂浓度的提高，光生载 流子的增大，电池的光电转换效率很小。目前，在各种报道中，有机太阳能电池主要有 四种典型器件结构。 三 国外最新研究：（1）2007 ScienceAlan J. Heeger等 “使有机薄膜太阳能电池的单元转换效率达到了全球最高6.5”。结构：级联结构关键：在两个太阳能电池单元之间夹了一层TiOxI (钛氧化物材料)p型：PEDOT:PSS，n型：PCBM与PCPDTBT的混合材料(750800nm) PC70BM与P3HT的混合材料(500nm )（2）大阪大学(2008年3月2730日)成功开发出了单元转换效率高达5.3的有机固体太阳能电池。关键：纯度极高的C60(7个九)结晶实现的(仅通过这两点便将单元效率由原来的2.5提高到了5.3的全球最高水平)结构：ITO(透明电极)/H2Pc/i层/C60/NTCDA/Ag(电极) Bulk Hetero结构 3）东丽在2009年3月，通过新开发p型(施主)有机半导体材料，使转换效率达到了5.5。该p型有机半导体材料的要点为两个方面： (1)通过加大与n型(受主)有机半导体材料的能级(空间电位)差，实现了约1V的高开路电压； (2)通过涂覆与n型半导体材料的分散混合液形成pn结时，能够扩大单位体积中pn结界面的表面积。该公司将力争在2015年前使转换效率达到7。 四 发展趋势太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50以上，太阳能光伏发电将占到总电力的20以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80以上，太阳能发电将占到60以上事实上，人们已经用上太阳能，不过其成本大约是传统电力的三倍。前者的成本是每千瓦1822美分，而传统电力的价格仅为每千瓦510美分。这说明，转换率不是最重要的，低成本的获取能源才是大家的目的。随着技术的进步，例如利用“塑料”太阳能电池来取代比较昂贵的硅太阳能电池，美国能源部认为太阳能成本将在几年内降至常规电力的水平。由此可以看出，太阳能电池市场前景广阔。 参考文献：1.Shah A , Torres R , et al . Science 1999 . 2. Morita S , Zakhidov A A , Yoshibo K . Solid State Commun . , 1992. 3. Roncali J 1997 . 4. Van Mullekon H A M ,Vekemans JAJM .Havinga E E .
