胡伟《光电功能材料》l13 有机太阳能电池

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1、第十三讲：有机太阳能电池光电功能材料胡伟南京大学现代工程与应用科学学院1太阳能电池利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能的装置就是太阳能电池单晶硅电池的工作原理：即当光子能量大于半导体的禁带宽度时，半导体的价带电子可被激发转移至导带，因p-n结耗尽层电场的影响，电子可很快地进入n-区，而空穴则快速进入p-区，实现电子和空穴的分离，将电子和空穴分别用导线引出，就可构成电池回路。23光生-伏打（photo-voltaicPV）现象最早是由法国物理学家Atoine-CesarBecquerel于1839年所发现。而第一个硅太阳

2、能电池是在1941年由美国的RusselOhl所制得，当时的效率仅为1％。1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池，效率为4%，于1958年应用到美国的先锋1号人造卫星上。太阳能电池是随空间技术的发展和竞争而得到发展和进步的。太阳能电池的发展太阳能电池的进步和发展4太阳能电池逐渐由航天等特殊的用电场合进入到地面应用中。在初始阶段，由于其转换效率不高，被用作为传感或测量材料，如照相技术中的光度计等。随着效率不断提高，开始向能源方向发展。现今PV电池的效率，在实验室条件下已可达30％，而在实际应用条件下，约为

3、17％。由于材料、结构、工艺等方面的不断改进，现在太阳能电池的价格不到20世纪70年代的1%。预期10年内太阳能电池的发电成本将可与火电竞争。目前，年均增长率35%，是能源技术领域发展最快的行业。5InorganicSolarCell无机太阳能电池，多以硅材料所构成。也有II-VI族，III-V族半导体材料。一种II-VI族材料--TiO2,作为液结太阳能电池受到广泛重视。这类体系的转化效率可达12％。砷化镓电池因效率高、耐辐射性好，被广泛应用到空间领域。有机材料效率还不是太高，但可以较低成本制得大面积的材料。有机太阳能电

4、池有机PV电池是继无机PV电池后，另一种新型的能源材料。在化石能源日趋枯竭、耗尽的今天，新能源的出现自然受到人们的广泛重视。研究进展:美国加州伯克利分校的科学家在2002研制出第一代塑料太阳能电池，可安装在系列便携式设备及可穿戴式电子设备上，提供0.7V的电压。工作原理:有机半导体产生的电子和空穴束缚在激子(excitons)之中，电子和空穴在界面(电极和导电聚合物的结合处)上分离。特点：价格低、易成型，通过化学修饰调控性能。7光生伏打电池基本原则PhotovoltaiccellPVC是光转变为电的器件。使光变为电，必须要

5、使激子的电荷分离，进而分别从两个电极引出正电和负电，使在电池外部形成回路。为提高激子的电荷分离效率，必须防止电荷的再重合，因重合将使工作物质回到基态，使前功尽弃。1.AphotonisabsorbedintotheCGLwhereitgeneratesanexciton.2.Theexcitonmigratestotheinterfacebetweenthetwolayers.3.ThechargesseparateandtheholemovesintotheCTL.8Singlelayerdevice两种不同形式的太阳能

6、电池:单层和双层的电池Inaplanarheterojunction,or‘bi-layer’device,theorganicdonor–acceptorinterfaceseparatesexcitonsmuchmoreefficientlythantheorganic–metalinterfacesinasinglelayerdevicePlanarhetero-junctiondevice——Bi-layerdevice有机太阳能电池有着各种不同的模式有机/无机杂化小分子异质结固态染料敏化高分子-受体高分子-无机纳

7、米颗粒9高分子太阳能电池ThreetypesofOrganicsolarcells三重挑战：1.提高转换效率，2.增加稳定性，3.发展高效低成本的大面积制造工艺10有机太阳能电池效率的提高有机太阳能电池效率的提高每个月都有新纪录！纳米结构起到重要作用！11第一代有机光生伏打太阳能电池第一代有机太阳能电池是由两个具不同功函数的电极之间，插入单一的有机层，构成的三明治结构器件。当单层器件在光照下，可引起有机分子激发，形成激子，因其两侧存在不同的电极（有不同的对称性），引起电子和空穴可分别从相关电极流出，从而构成电池。两个电极为

8、具有不同功函数的金属电极。由于接触时可生成Schottky势垒，因此也称Schottky电池。但这种电池的功率转换效率一般较低，约在0.001到0.01％附近。12一个重大的突破——Tang’sHeterojunctionSolarCellCuPcDonorP型材料酞菁铜PTCBIAcceptorN型