光电转化高分子材料

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1、光电转化高分子材料——聚合物太阳能电池组员：王霞、申燕燕、张瑞、陶升东、王朋8/28/20211内容研究背景太阳能电池相关原理与性能参数设想参考资料8/28/20212研究背景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。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，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，并终将成为世界能源结构中的主导能源。8/28/20213太阳能电池的

2、定义太阳能电池是太阳能光伏发电的基础和核心，是一种利用光生伏打效应把光能转变为电能的器件。用适当的光照在上边之后器件两端会产生电动势。典型的太阳电池是一个p-n结半导体二极管。◆p-n结的形成过程◆光生载流子－电子／空穴对的产生◆“光生电压”及“光生电流”的产生8/28/20214p-n结“光生载流子”的产生光子把电子从价带(束缚)激发到导带(自由)，并在价带内留下一个/空穴(自由)－产生了自由电子－空穴对“光生电压”的产生自由电子和空穴扩散进入p-n结，n-p结作用下，分别在n区和p区形成电子和空穴的积累太阳电池8/28/20215太阳能电池分类晶体硅太阳能电池非晶硅太阳能电池化合物半导体太

3、阳能电池纳米晶化学太阳能电池有机聚合物太阳能电池传统太阳能电池8/28/20216光电转换材料光电转换材料是一种能将光通过一定的物理或化学方法变成电能的功能材料，是材料科学研究领域的一个热点。光电转换材料最重要的用途是制作太阳能电池。硅太阳能电池有机光电池成本昂贵、工艺复杂、材料要求苛刻。潜在的低成本、轻重量和分子水平的可设计性8/28/20217有机/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体的共混膜夹在ITO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等突出优点。近年来成为国内外研究热点。结构规整的聚(3-己基)

4、噻吩(P3HT)和可溶性C60衍生物PCBM是最具代表性的给体和受体光伏材料。基于P3HT/PCBM的光伏器件能量转换效率稳定达到3.5～4.0%左右，使这一体系成为聚合物太阳能电池研究的标准体系。但P3HT/PCBM体系也存在电子能级匹配性不好（P3HT的HOMO能级太高或者说PCBM的LUMO能级太低）的问题，这导致了器件的开路电压较低，只有0.6V左右，这限制了其能量转换效率的进一步提高。8/28/20218到目前为止，研究的光导电性高分子有下面几类：(1)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；(2)侧链或主链中含有稠合芳烃基的聚合物；(3)侧链或主链具有杂环的聚

5、合物，如聚乙烯咔唑及其衍生物；(4)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。8/28/20219激发态的能量转移：D*+A——D+A*偶极-偶极能量转移（foster能量转移）D*AA*D8/28/202110电子交换能量转移（dexter能量转移）D*AA*D8/28/202111D+A*——D++A-DA*A-D+8/28/202112激子太阳能器件就是基于不同材料之间的能量和电子转移来实现太阳能到电能的转换的。8/28/202113在聚合物太阳能电池中光电响应过程是在光敏层中产生的.共轭聚合物吸收光子以后并不直接产生可自由移动的电子和

6、空穴,而产生具有正负偶极的激子(exciton).只有当这些激子被解离成可自由移动的载流子,并被相应的电极收集以后才能产生光伏效应.否则,由于激子所具有的高度可逆性,它们可通过发光、弛豫等方式重新回到基态,不产生光伏效应的电能.在没有外加电场的情况下,如何使光敏层产生的激子分离成自由载流子便成为聚合物太阳能电池正常工作的前提条件。光电响应原理8/28/202114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

7、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