高分子光电材料与器件导论IV.pdf

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1、1高分子光电材料与器件导论 高分子光电材料与器件导论-器件原理及基础器件原理及基础华南理工大学材料科学与工程学院2011级博士/硕士研究生课程华南理工大学材料科学与工程学院2011级博士/硕士研究生课程吴宏滨吴宏滨电子邮件：电子邮件： 电话电话:87114346-24高分子光电材料与器件研究所高分子光电材料与器件研究所2012年年4月月2课程大纲课程大纲高分子光电材料与器件导论高分子光电材料与器件导论-器件原理及基础器件原理及基础第三章 基于共轭聚合物的太阳电池（第三章 基于共轭聚合物的太阳电池（8学时）学时）1.太阳电池基础知识（太阳光谱，太阳电池等效电路和发展现 状）;2.太阳电池的基本特

2、性和参数;3.聚合物太阳电池的结构与原理（结构，聚合物/C60衍生物中 的光诱导电子转移，光生载流子的产生过程，输运，复合和 抽取）;4.影响聚合物太阳电池性能的主要因素.3内容提要内容提要引言引言太阳电池基础知识-太阳电池基础知识-太阳光谱，太阳电池等效电路，太阳电池的基本特性和参数太阳光谱，太阳电池等效电路，太阳电池的基本特性和参数聚合物太阳电池的结构与原理-聚合物太阳电池的结构与原理-结构，聚合物/C60衍生物中的光诱导电子转移，光生载流子的产生过 程，输运，复合和抽取结构，聚合物/C60衍生物中的光诱导电子转移，光生载流子的产生过 程，输运，复合和抽取聚合物给体光伏材料的进展聚合物给体

3、光伏材料的进展聚合物太阳电池器件的进展聚合物太阳电池器件的进展4内容提要内容提要引言引言太阳电池基础知识-太阳电池基础知识-太阳光谱，太阳电池等效电路，太阳电池的基本特性和参数太阳光谱，太阳电池等效电路，太阳电池的基本特性和参数聚合物太阳电池的结构与原理-聚合物太阳电池的结构与原理-结构，聚合物/C60衍生物中的光诱导电子转移，光生载流子的产生过 程，输运，复合和抽取结构，聚合物/C60衍生物中的光诱导电子转移，光生载流子的产生过 程，输运，复合和抽取聚合物给体光伏材料的进展聚合物给体光伏材料的进展聚合物太阳电池器件的进展聚合物太阳电池器件的进展56太阳能-理论上提供无限的能源利用空间太阳能-

4、理论上提供无限的能源利用空间相当于每秒钟燃烧500万吨煤相当于现在人类所利用的能源的一万多倍光伏发电技术是太阳能利用的最有效途径之一光伏发电技术是太阳能利用的最有效途径之一到达地球的太阳辐射功率1.73*1017 W基本 数据 基本 数据 基本 数据基本 数据7单晶/多晶单晶/多晶 单晶/多晶硅单晶/多晶硅 活性层100m活性层100m 组件效率15组件效率15 寿命：25年寿命：25年无机薄膜太阳电池无机薄膜太阳电池 非晶硅，CIGS等非晶硅，CIGS等 活性层1m活性层1m 组件效率9组件效率9 寿命：10年寿命：10年聚合物太阳电池具有巨大的基础创新和应用技术创新空间！染料敏化/聚合物/

5、纳米晶染料敏化/聚合物/纳米晶 活性层0.1m活性层0.1m 最好效率11最好效率11(染料,液 体电解液)(染料,液 体电解液)最好效率8(聚合物)最好效率8(聚合物)新出现的太阳电池新出现的太阳电池产能:27 GW 9 GW 尚未商业化产能:27 GW 9 GW 尚未商业化目前的三种光伏技术目前的三种光伏技术8优点优点聚合物本体异质结太阳电池聚合物本体异质结太阳电池低能耗的生产工艺（低温成膜；材料廉价，资源丰富）低能耗的生产工艺（低温成膜；材料廉价，资源丰富）质量轻、柔性好、生产成本低和 易于实现大面积加工质量轻、柔性好、生产成本低和 易于实现大面积加工聚合物太阳电池从实验室走向规模应用和

6、产业化,尚需要解决一系列基础科学问题和技术难题!聚合物太阳电池从实验室走向规模应用和产业化,尚需要解决一系列基础科学问题和技术难题!聚合物太阳电池从实验室走向规模应用和产业化,尚需要解决一系列基础科学问题和技术难题!聚合物太阳电池从实验室走向规模应用和产业化,尚需要解决一系列基础科学问题和技术难题!9未来需要聚合物太阳电池未来需要聚合物太阳电池1TW10 12 W2011年底我国电力装机容量 约为年底我国电力装机容量 约为10亿千瓦，即亿千瓦，即1TW10聚合物太阳能电池的发展历史聚合物太阳能电池的发展历史1992年，光诱导聚合物/C1992年，光诱导聚合物/C60 60 间超快电荷传递的发现

7、间超快电荷传递的发现N.Sariciftci,et al.,A.J.Heeger,Science,1992,258,14741995年，发明“本体异质结”型单层聚合物/PCBM太阳能电池1995年，发明“本体异质结”型单层聚合物/PCBM太阳能电池G.Yu,et al.,A.J.Heeger,Science,1995,270,17892002年，能量转换效率达到年，能量转换效率达到3.3%C.Brabec,et al.,N.Sariciftci,Appl.Phys.Lett.,2002,80,12882002年，提出共轭聚合物无机半导体纳晶杂化型太阳能电池，效率达到年，提出共轭聚合物无机半导体

8、纳晶杂化型太阳能电池，效率达到1.7%Huynh,W.U;et al.A.P.Alivisatos,Science 2002,295,2425-24271986年，柯达公司发表有机光伏打电池：能量转换效率约1%1986年，柯达公司发表有机光伏打电池：能量转换效率约1%C.W.Tang,Appl.Phys.Lett.,1986,48,183.2004，能量转换效率达到能量转换效率达到 3.85%P3HT/PCBM,C.J.Brabec，Solar Energy Materials&Solar Cells,2004,83,2732005,能量转换效率达到能量转换效率达到4-5（溶剂处理和热处理）（

9、溶剂处理和热处理）P3HT/PCBM,G.Li,et al.,Y.Yang,Nature Materials,2005,4,864-868.2007，能量转换效率超过，能量转换效率超过6（叠层器件）（叠层器件）J.Y.Kim,K.Lee,A.J.Heeger,Science,2007,317,222.2009-2010，单层器件能量转换效率达到，单层器件能量转换效率达到6-7（新型给体材料（新型给体材料 PC70 BM）H.Y.Chen,J.H.Hou,et al.,Nature Photonics,2009,3,649-653S.H.Park,et al.,M.Leclerc,A.J.Hee

10、ger.Nature Photonics,2009,3,297-303Y.Y.Liang,et al.,G.Li,L.P.Yu,Adv.Mater.2010,22,E135.2011年，本实验室率先公开报道能量转化效率超过年，本实验室率先公开报道能量转化效率超过8Zhicai He et al.Adv.Mater.2011,23,4636.11内容提要内容提要引言引言太阳电池基础知识-太阳电池基础知识-太阳光谱，太阳电池等效电路，太阳电池的基本特性和参数太阳光谱，太阳电池等效电路，太阳电池的基本特性和参数聚合物太阳电池的结构与原理-聚合物太阳电池的结构与原理-结构，聚合物/C60衍生物中的光诱

11、导电子转移，光生载流子的产生过 程，输运，复合和抽取结构，聚合物/C60衍生物中的光诱导电子转移，光生载流子的产生过 程，输运，复合和抽取聚合物给体光伏材料的进展聚合物给体光伏材料的进展聚合物太阳电池器件的进展聚合物太阳电池器件的进展12利用太阳能的优缺点利用太阳能的优缺点 太阳能的优势：清洁无污染，取之不尽用之不竭 太阳能的缺点：能流密度低，受季节、气候、地点影响大未来能源发展趋势13太阳光谱太阳光谱太阳辐射总功率3.8*1023 kW,约22亿分之一达到地球(1.7*1014 kW),1.2*1014 kW达到地表,外太空太阳辐射功率为1.35 kW/m2，称为太阳常数第一节太阳能，太阳电

12、池基础知识（太阳能基础知识，太阳光谱和 发展现状）第一节太阳能，太阳电池基础知识（太阳能基础知识，太阳光谱和 发展现状）14不同大气质量数下的太阳辐射的示意图不同大气质量数下的太阳辐射的示意图15通常情况下，采用大气质量数(air mass number,AM)来表示太阳辐射的情况。具体的定义如下:-AM 0辐射(air mass zero radiation):当距离等于太阳与地球间的平均距离，大气外垂直于太阳方向单位面积的辐射功 率，其值为1.353 kW/m2。该情况主要使用于地球外的宇宙。-AM 1辐射(air mass one radiation):当太阳位于头顶(即经过大气之路程最

13、短)时，在天气晴朗情况下辐照在水平表面上的 强度，其值为1.07 kW/m2。不同大气质量数下的太阳辐射不同大气质量数下的太阳辐射其它入射角的大气质量数可用太阳偏离头顶夹角的表达式，即AM=1/cos 在地面应用的情况下，如无特殊情况，通常取AM l.5(=48.2)作为太阳的标准辐射AM 1.5 D(768.3/m2)vs.AM 1.5 G(963.8 W/m2)16AM 0 vs.AM 1.5 G vs.AM 1.5 D17AM 1.5 太阳光谱，能流密度太阳光谱，能流密度vs.光子通量光子通量1840%52%8%可见光谱区红外光谱区紫外光谱区太阳光谱按能量划分太阳光谱按能量划分19太阳电

14、池分类太阳电池分类PCE6-8%,消费电子产品等消费电子产品等PCE20-44%,应用于太空或者聚光型光伏系统应用于太空或者聚光型光伏系统20 1954年Bell Labs发展出硅太阳电池(Chapin等人，转换效率约4.5%);1958年开始太空应用(GaAs);1970年开始太阳光发电系统地面应用(Si)(能源危机);1976年Carlson制作出第一个非晶薄膜太阳电池;1980年消费性薄膜太阳电池应用(a-Si,CdS/CdTe);光伏器件的重要发展事件光伏器件的重要发展事件21太阳电池发展历史太阳电池发展历史(1830-1950)1839年，法国实验物理学家E.Becquerel发现液

15、体的光生伏特效应,简称为光伏效应；1877 年，W.G.Adams和R.E.Day研究了硒(Se)的光伏效应,并制作了第一片硒太阳电池；1883年，美国发明家Charles Fritts描述了第一片硒太阳电池的原理；1904 年，Hallwachs发现铜与氧化亚铜(Cu/Cu2O)结合在一起具有光敏特性；1905年，德国物理学家爱因斯坦(Albert Einstein)发表关于光电效应的论文；1918年，波兰科学家Czochralski发展生长单晶硅的提拉法工艺；1921年，德国物理学家爱因斯坦由于1904年提出的解释光电效应的理论获得诺贝尔(Nobel)物理奖；1951年，生长p-n结,实现

16、制备单晶锗电池；1953年，Wayne州立大学Dan Trivich博士完成基于太阳光谱的具有不同带隙宽宽的各类材 料光电转换效率的第一个理论计算；1954年，RCA实验室报道硫化镉(CdS)的光伏现象；(RCA：美国无线电公司)；221954年,贝尔(Bell)实验室研究人员D.M.Chapin,C.S.Fuller和G.L.Pearson报道4.5%效率的 单晶硅太阳电池的发现,几个月后效率达到6%；1960年,Hoffman电子实现单晶硅电池效率达到14%；1977年,D.E.Carlson和C.R.Wronski在W.E.Spear的1975年控制p-n结的工作基础上制成世界 上第一个

17、非晶硅(a-Si)太阳电池；1985年,单晶硅太阳电池售价10USD/W；澳大利亚新南威尔士大学Martin Green研制单晶硅 的太阳电池效率达到20%；1991瑞士Grazel教授研制的纳米TiO2染料敏化太阳电池效率达到7%；1999世界太阳电池年产量超过201.3MW；美国NREL的M.A.Contreras等报道铜铟锡(CIS)电 池效率达到18.8%；非晶硅电池占市场份额12.3%；2000世界太阳电池年产量超过287.7MW,安装超过1000MW,标志太阳能时代的到来；2001世界太阳电池年产量超过399MW；Wu X.,Dhere R.G.,Aibin D.S.等报道碲化镉(

18、CdTe)电池效率达到16.4%；单晶硅太阳电池售价约为3USD/W；2004太阳电池年产量超过1200MW；德国Fraunhofer ISE多晶硅太阳电池效率达到20.3%；2010年德国夫琅禾费太阳能研究所开发的转化效率达41%的多节太阳电池(10厘米见方的电太阳电池发展历史太阳电池发展历史(1950-2010)231958年，我国开始研制太阳电池；1959年，中国科学院半导体研究所研制成功第一片有实用价值的太阳电池；1971年3月，在我国发射的第二颗人造卫星-科学实验卫星实践1号上首次应用由天津电源 研究所研制的太阳电池；1973年，天津港的海面航标灯上首次应用由天津电源研究所研制的太阳

19、电池,航标灯上应 用14.7W的太阳电池；1979年，我国开始利用半导体工业废次硅材料生产单晶硅太阳电池；19801990年期间我国进国外太阳电池关键设备和成套生产线及技术,先后建立单晶硅电 池生产企业；2004年，我国太阳电池产量超过印度,年产量达到50MW以上。2005-2010年,2006年，我国颁布,有力促进我国太阳能工业发展;2007年，国家发改委制订可再生能源中长期发展规划。我国太阳电池发展简史我国太阳电池发展简史24各种太阳电池能量转化效率演化趋势各种太阳电池能量转化效率演化趋势(1975-2010)Record cell efficiencies(from http:/opti

20、cs.org/indepth/2/6/2)25聚合物太阳电池能量转化效率演化趋势聚合物太阳电池能量转化效率演化趋势(1995-2010)26基于基于p-n结的太阳电池的工作原理结的太阳电池的工作原理pn 结的结构示意图太阳电池的基本特性和参数太阳电池的基本特性和参数(太阳电池等效电路太阳电池等效电路)27照射到光伏电池表面的太阳光线的各种作用情况照射到光伏电池表面的太阳光线的各种作用情况28pn结光伏效应能带结构图结光伏效应能带结构图无光照下，内建电场光照下，非平衡载流 子的漂移，累积，降 低势垒高度，相当于 正偏置。29理想太阳电池等效电路图理想太阳电池等效电路图1.短路时，结附近积累的非平

21、衡载流子将通过外电路形成光生电流IL,此电流方向 与二极管的正向电流ID 相反;2.负载和二极管上的压降为3.无光照下，pn结电流方程为势垒高度降低引起的正向注入电流4.光照下，pn结电流方程变为)1ln(0IIIqkTVSL30)1ln(0IIIqkTVSL太阳电池的短路电流太阳电池的短路电流(JSC)和开路电压和开路电压(VOC)负载上的压降(1)短路电流令VS=0,根据光照下，pn结电流方程LSII 即光生电流就是短路电流(2)开路电压令IS=0,)1ln(0IIqkTVLOC太阳电池的短路电流和开路电压分别是器件就是可能得到的光生电流和最大光 生电压。因此，得到大的短路电流和高的开路电

22、压是制造太阳电池的首要问题。31太阳电池的填充因子太阳电池的填充因子(Fill Factor,FF)OCSCVJVJFFmaxmax定义定义太阳电池的最大输出功率图32太阳电池的能量转换效率太阳电池的能量转换效率inSCOCinPFFIVPPmax能量转换效率能量转换效率因此从电池制备的角度看，要想获得高的转换效率，电池就须有很高的开路电压和大的短路电流以及高的填充 因子FF和低的暗电流。33伏安特性测量装置示意图伏安特性测量伏安特性测量34太阳电池的光谱特性（光谱响应度）与量子效率太阳电池的光谱特性（光谱响应度）与量子效率00.10.20.30.40.50.60.70.83004005006

23、00700800EQEWavelength(nm)光谱特性的测量是用一定强度的单色光照射太阳电池，测量此时的短路电流；然后依次改变单色光的波长，再重复以得到各个波长下的短路电流，即反映了太阳 电池的光谱特性。光电转化效率,即入射单色光子-电子转化效率(monochromatic incident photon-to-electron conversion efficiency，用缩写IPCE表示。在绝对响应度数据的基础上，再经过一定的换算，得到外量子效率（External Quantum Effeciency，EQE）曲线。35ehcPSehcPJEQEinscEQE=1240PS/其中，PS

24、为测得的光电响应的灵敏度，单位为A/W；为对应波长，单位为nm。外量子效率外量子效率(EQE),IPCE与灵敏度与灵敏度(PS)的换算的换算36dPSPJsc)()(00.10.20.30.40.50.60.70.8300400500600700800EQEWavelength(nm)Confirmation of short-circuit current from EQE and Solar spectraBy Calculation,Jsc=9.1 mA/cm2Experimental result,Jsc=9.5 mA/cm2-12-8-4048121620-1-0.500.51pho

25、todarkCurrent Density(mA cm-2)Voltage(V)Voc=0.90VJ sc=9.5 mA cm2FF=0.51 PCE=5.4%37太阳电池光谱特性的重要意义太阳电池光谱特性的重要意义从太阳电池的应用角度来说，太阳电池的光谱特性与光源的辐射光谱特性相 匹配是十分重要的，这样可以充分利用光能和提高器件的光电转换效率。38窄带隙给体材料是具有很大优势且必需的！39太阳电池的光谱特性太阳电池的光谱特性(光谱响应光谱响应)的测量装置的测量装置40实际太阳电池等效电路图实际太阳电池等效电路图RsRshJphDJJshJVphshsssphshDJRIRVnkTIRVqJJ

26、JJJ1)(exp41串联电阻和并联电阻（旁路电阻）对伏安特性的影响串联电阻和并联电阻（旁路电阻）对伏安特性的影响42内容提要内容提要引言引言太阳电池基础知识-太阳电池基础知识-太阳光谱，太阳电池等效电路，太阳电池的基本特性和参数太阳光谱，太阳电池等效电路，太阳电池的基本特性和参数聚合物太阳电池的结构与原理-聚合物太阳电池的结构与原理-结构，聚合物/C60衍生物中的光诱导电子转移，光生载流子的产生过 程，输运，复合和抽取结构，聚合物/C60衍生物中的光诱导电子转移，光生载流子的产生过 程，输运，复合和抽取聚合物给体光伏材料的进展聚合物给体光伏材料的进展聚合物太阳电池器件的进展聚合物太阳电池器件

27、的进展43e-R OO RR OO RR OO RR OO R光诱导电子转移在50 飞秒(10-15sec)的时间尺度内 完成,比激子的辐射衰减和非辐射衰减要快3-4个 数量级,意味着,电荷分离的效率接近100%!A.J.Heeger et al.Science 258,1474(1992)LightilluminationITOMetal electrode(Al or Ca)Glass or plasticsubstrate电子给体材料与受体材料形成双连续的互 穿网络状结构,整个活性层变为一个大的“本体异质结”。A.J.Heeger et al.Science 270,1789(1995)

28、共轭聚合物/C60 体系的光诱导电子转移现象的发现聚合物本体异质结太阳电池的提出聚合物太阳电池的结构与原理聚合物太阳电池的结构与原理44LUMOHOMOP3HTPCBMe-h+ITOMetalEFEFhv-2.74 eV-4.76 eV-3.91 eV-5.93 eV聚合物太阳能电池聚合物太阳能电池45聚合物太阳电池产生光电流的过程聚合物太阳电池产生光电流的过程（1）光照后光敏层吸收光子形成激子（电子-空穴对）；（2)激子扩散到给体受体界面；（3)给体中的激子将电子转移给受体，受体中的激子将空穴转移给给体，实现电荷分离；（4)电子和空穴分别沿受体和给体向负极和正极传递；（5)电子和空穴在电极光

29、敏层界面处分别被负极和正极收集产生光电流和光电压。（1）光照后光敏层吸收光子形成激子（电子-空穴对）；（2)激子扩散到给体受体界面；（3)给体中的激子将电子转移给受体，受体中的激子将空穴转移给给体，实现电荷分离；（4)电子和空穴分别沿受体和给体向负极和正极传递；（5)电子和空穴在电极光敏层界面处分别被负极和正极收集产生光电流和光电压。46聚合物太阳电池光电转换步骤和入射光子损失的机理聚合物太阳电池光电转换步骤和入射光子损失的机理电荷传至各自的电极而被收集ITO活性层Al玻璃基片光的吸收激子产生激子扩散电荷分离电荷传输电荷收集反射透过激子复合激子传输过程中复合电荷未分离导致激子复合电荷中和电荷束

30、缚电极附近复合电极势垒转换步骤入射光子损失机制47聚合物太阳电池产生光电流的过程聚合物太阳电池产生光电流的过程-经典综述文章经典综述文章48聚合物太阳电池产生光电流的过程聚合物太阳电池产生光电流的过程49Polymer solution processed cells come in three flavors50薄膜形貌与载流子输运特性的联系薄膜形貌与载流子输运特性的联系510.51.01.52.02.53.0 Emission spectrum of the sun AM1.5 Absorption spectrum of MDMO-PPV Absorption spectrum of P

31、3ATWave Length mPCBMP3HTSnP3HTPCBM-2.74 eV-4.76 eV-3.91 eV-5.93 eVELUMO=1.17 eVELUMO-HOMO=0.85 eVLUMOHOMO聚合物太阳能电池面临的问题：聚合物太阳能电池面临的问题：能量转换效率较低，主要是由于：能量转换效率较低，主要是由于：1.共轭聚合物只能吸收部分太阳光（太阳光的利用率低）。共轭聚合物只能吸收部分太阳光（太阳光的利用率低）。2.共轭聚合物的电荷载流子迁移率低。共轭聚合物的电荷载流子迁移率低。3.给体给体/受体激子电荷分离的能量损失大。受体激子电荷分离的能量损失大。（对于最有代表性的P3HT/

32、PCBM体 系，P3HT的HOMO能级太高，PCBM的LUMO能级太低，导致开路电压较低）太阳光谱和常用共轭聚合物 吸收光谱的比较太阳光谱和常用共轭聚合物 吸收光谱的比较来自中国科学院李永舫研究员课件来自中国科学院李永舫研究员课件52优化聚合物太阳电池的主要途径优化聚合物太阳电池的主要途径合适的电极材料合适的电极材料（高功函数正极、低功函数负极材 料）适当的电极修饰层适当的电极修饰层（欧姆接触、高的电荷收集效率）合适的给体受体材料合适的给体受体材料.（宽而强的可见-近红外吸收、适当 的LUMO和HOMO能级、溶解性和 成膜性、纯度）共混活性层的形貌控制共混活性层的形貌控制（溶剂的选择，溶剂处理

33、、热处 理，获得理想的D/A互穿网络结构和 高的电荷载流子迁移率）新颖器件结构（叠层器件，倒装器 件）新颖器件结构（叠层器件，倒装器 件）electronholeexcitonhv53内容提要内容提要引言引言太阳电池基础知识-太阳电池基础知识-太阳光谱，太阳电池等效电路，太阳电池的基本特性和参数太阳光谱，太阳电池等效电路，太阳电池的基本特性和参数聚合物太阳电池的结构与原理-聚合物太阳电池的结构与原理-结构，聚合物/C60衍生物中的光诱导电子转移，光生载流子的产生过 程，输运，复合和抽取结构，聚合物/C60衍生物中的光诱导电子转移，光生载流子的产生过 程，输运，复合和抽取聚合物给体光伏材料的进展

34、聚合物给体光伏材料的进展聚合物太阳电池器件的进展聚合物太阳电池器件的进展54给体给体受体受体p-型共轭聚合物型共轭聚合物P3HT等等可溶液加工共轭 有机分子可溶液加工共轭 有机分子n-型共轭聚合物型共轭聚合物富勒烯衍生物富勒烯衍生物PCBM等等无机半导体纳米 晶体无机半导体纳米 晶体聚合物太阳能电池中的给体和受体光伏材料聚合物太阳能电池中的给体和受体光伏材料SnNNOOOOC10H21C12H25C12H25C10H21SSSnCdSe tetrapot nanocrystals来自中国科学院李永舫研究员课件来自中国科学院李永舫研究员课件55聚合物太阳能电池光伏材料电子能级对光伏性能的影响聚合

35、物太阳能电池光伏材料电子能级对光伏性能的影响56聚合物太阳能电池给体和受体光伏材料中的基础问题聚合物太阳能电池给体和受体光伏材料中的基础问题吸收光谱吸收光谱：可见-近红外区宽而强的吸收（吸收光谱与太阳光谱相匹配）电荷载流子迁移率电荷载流子迁移率：给体需要有高的空穴迁移率、受体需要有高的电子迁 移率，并且最好给体的空穴迁移率与受体的电子迁移率能够平衡。电子能级电子能级：给体和受体电子能级相匹配，既保证在给体/受体界面上激子 的有效电荷分离（给体LUMO-受体LUMO0.3 eV，给体HOMO受体 HOMO0.3 eV），又达到具有最高的开路电压（开路电压与受体LUMO 与给体HOMO之差成正比）

36、。溶解性溶解性：这是溶液加工成膜的前提。并且要求给受体在同一种溶剂中都具 有好的溶解性，对使用的溶剂也有限制。聚集和形貌聚集和形貌：给体/受体互穿网络结构对器件性能有重要影响。57几种有代表性共轭聚合物薄膜的吸收光谱几种有代表性共轭聚合物薄膜的吸收光谱SnP3HTMEH-PPVR2R1nPFO58最具代表性的聚合物太阳能电池光伏体系最具代表性的聚合物太阳能电池光伏体系PCBMP3HTSnP3HTPCBM-2.74 eV-4.76 eV-3.91 eV-5.93 eVELUMO=1.17 eVELUMO-HOMO=0.85 eVLUMOHOMO器件优化条件：器件优化条件：P3HT/PCBM=1:

37、1活性层厚度：210 nm膜生长时间：20分钟热处理：110 C，10 分钟光伏性能光伏性能:PCE=4.37%Voc=0.61 VIsc=10.6 mA/cm2FF=67.4%G.Li,et al.,Y.Yang,Nature Materials,2005,4,86459SSRRNSNnR=2-ethylhexyl:3.2%(PCPDTBT 与PC70 BM共混,活性层中加 入二烷基硫醇:5.5%J.Peet,et al.,A.J.Heeger,Nat.Mater.2007,6,497.C8H17RSNSNSnR=2-ethylhexyl:2.2%M.Svensson,et al.,Adv.

38、Mater.2003,15,988.SiC8H17C8H17SNSNSnE.G.Wang,et al.,Yong Cao,Appl.Phys.Lett.2008,92,033307.:5.4%共轭聚合物光伏材料研究进展共轭聚合物光伏材料研究进展60SNSNSPtP(C4H9)3P(C4H9)3nW.Y.Wong,et al.,Nat.Mater.2007,6,521.:4.1%NC8H17C8H17SNSNSn:3.6%N.Blouin,et al.,Adv.Mater.2007,19,2295.S.H.Par,et al.Nature Photonics,2009,3,297(:6.1%)L

39、UMO=-3.27 eVHOMO=-5.05 eVPolymer/PC70 BM(1:1,w/w):PCE=5.1%(Voc=0.68 V,Isc=12.7 mA/cm2,FF=55%)J.H.Hou,et al.,J.Am.Chem.Soc.,2008,130,16144-16145共轭聚合物光伏材料研究进展共轭聚合物光伏材料研究进展61Isc=9.8 mA/cm2,Voc=0.81 V,FF=0.69,PCE=5.4%.Z.S.Bo,F.L.Zhang,et al.,J.Am.Chem.Soc.2009,131,1461214613Y.P.Zou,et al.,M.Leclerc,J.Am

40、.Chem.Soc.2010,132,53305331共轭聚合物光伏材料研究进展共轭聚合物光伏材料研究进展62共轭聚合物光伏材料研究进展共轭聚合物光伏材料研究进展63H.Y.Chen,J.H.Hou,et al.,Nature Photonics,2009,3,649-653.J.H.Hou,et al.,J.Am.Chem.Soc.,2009,131,1558615587.Yongye Liang,et al.,J.Am.Chem.Soc.,2009,131,5657Yongye Liang,et al.,J.Am.Chem.Soc.2009,131,7792-7799Y.Y.Liang,e

41、t al.,Adv.Mater.2010,22,E135.共轭聚合物光伏材料研究进展共轭聚合物光伏材料研究进展64内容提要内容提要引言引言太阳电池基础知识-太阳电池基础知识-太阳光谱，太阳电池等效电路，太阳电池的基本特性和参数太阳光谱，太阳电池等效电路，太阳电池的基本特性和参数聚合物太阳电池的结构与原理-聚合物太阳电池的结构与原理-结构，聚合物/C60衍生物中的光诱导电子转移，光生载流子的产生过 程，输运，复合和抽取结构，聚合物/C60衍生物中的光诱导电子转移，光生载流子的产生过 程，输运，复合和抽取聚合物给体光伏材料的进展聚合物给体光伏材料的进展聚合物太阳电池器件的进展聚合物太阳电池器件的进

42、展65Morphology Control withAlkane-dithiols as Processing Additives(J.Peet et al.Nature Materials,Published online May 27.2007)Add 2.5%alkanedithiol into solvent(chlorobenzene)1,3-propanedithiol(blue),1,4-butanedithiol(green),1,6-hexanedithiol(orange)and 1,8-octanedithiol(red)Higher jsc-higher efficie

43、ncy添加剂对聚合物太阳电池性能的影响添加剂对聚合物太阳电池性能的影响66SSNSN()nOCH3O(a)b(c)SSNSN()nOCH3O(a(Best performance for a single cell architecture=5.5%Factor of 2 Improvement by using octane-dithiolas processing additiveJ.Peet et al.Nature MaterialsPublished online May 27.2007Processing Additives for Morphology control=2.8%Z

44、hengguo Zhu(ZZ50)67Processing Additives for Morphology Control of Bulk Heterojunction MaterialsMechanism:(i)Selective(differential)solubility of the fullerene component(ii)Higher boiling point than the host solvent.68Front cellBack cellPCPDTBT:PCBMAlITOTiOxTiOxP3HT:PC70BMPEDOT:PSSPEDOT:PSSGlassAlTiO

45、xTiOxP3HT:PC70BMPEDOT:PSSFront cellBack cellFront cellBack cellFront cellBack cellPCPDTBT:PCBMAlITOTiOxTiOxP3HT:PC70BMPEDOT:PSSPEDOT:PSSGlassPCPDTBT:PCBMAlITOTiOxTiOxP3HT:PC70BMPEDOT:PSSPEDOT:PSSGlassPCPDTBT:PCBMAlITOTiOxTiOxP3HT:PC70BMPEDOT:PSSPEDOT:PSSGlassAlTiOxTiOxP3HT:PC70BMPEDOT:PSSAlTiOxTiOxP

46、3HT:PC70BMPEDOT:PSSAlTiOxTiOxP3HT:PC70BMPEDOT:PSSMulti-layer Tandem Cells(equivalent to two solar cells in series)TiORO RO RTiOHO HOHOH+H2 OTi OXTiOT iT iT iOOOOO高分子叠层器件的进展高分子叠层器件的进展-UCSB690.00.20.40.60.81.01.2-12-10-8-6-4-20 PCPDTBT single cell P3HT single cell Tandem cell Current Density(mA/cm2)Bi

47、as(V)Open circuit voltage doubled-Efficiency 6.5%Tandem Cells(Multilayer architecture equivalent to two solar cells in series)70In the Tandem Cell,the TiOx layers serve six separate functions:1.Optical spacer that redistributes the light intensity to optimize the efficiency of the back cell.6.With T

48、iOx layer between the charge separating layer and the aluminum cathode-much improved air stability3.The TiOx functions as a low resistance electron transport layer2.TiOx layer breaks the symmetry and thereby creates the open circuit voltage.4.TiOx functions as a hole blocking layer(top of the valenc

49、e band at-8.1 eV)5.TiOx layer enables the fabrication of tandem cells.The transparentTiOx layer is used to separate and connect the front cell and the back cell.71高分子叠层器件的进展高分子叠层器件的进展-UCLA72高分子叠层器件的进展高分子叠层器件的进展-UCLA73高分子叠层器件的进展高分子叠层器件的进展-UCLA74制备方法溶液旋转涂覆制备方法溶液旋转涂覆75制备方法丝网印刷制备方法丝网印刷76制备方法喷墨打印制备方法喷墨打印

50、77制备方法滚筒印刷制备方法滚筒印刷7879还有多大的改善空间？还有多大的改善空间？80大面积器件面临的挑战大面积器件面临的挑战81 Largest OPV Module certified at NREL Plextronics 152mm x 152mm Module Total Area Certified at 1.6%Active Area coverage=46%Active Area efficiency=3.4%NREL-Certified OPV Module Efficiency82Charge carrier Density(buildup)Cell/Module Pac