聚合物太阳能电池材料研究进展ashx.pdf

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1、万方数据黼铲化学研究与应用ChemicalResearchandApplicafionv01．16．Ho．2Apr．，2004文章编号：l(X)4-1656{2(X)4)02-0143-06聚合物太阳能电池材料研究进展张华西，李瑛。，黄艳，刘力维，黄可，谢明贵(四川大学化学学院，四川成都610064)摘要：本文介绍了几种常见的聚合物太阳电池材料。综述了聚合物太阳电池材料的合成、发展历史和现状，对其应用前景进行了展望。参考文献59篇。关键词：太阳电池；材料；共轭聚合物；合成中国分类号：0631．23文献标识码：A与结构工艺复杂、成本高昂、光电压受光强影响波动大的传统半导

2、体固结太阳电池相比⋯1，聚合物太阳电池因其分子结构可以自行设计合成。材料选择余地大，加工容易，毒性小，成本低等特点【2⋯，在自然资源日趋短缺的今天引起了人们的关注。1977年，Hee萨J6，71等人发现，聚乙炔用12、AsF5掺杂后电导率从10“S／cm增加到lo～一l沪S／cm，增幅达8—9个数量级，传统意义上的绝缘体竟然表现出导体和半导体的许多光电性质。这引起了科学界的极大震动。共轭聚合物当时被称为“导电聚合物”(Conductingpolymers)、“电活性聚合物”(Electro-activepobⅧrs)或“合成金属”(Syntheticmetals)。8

3、0年代人们主要关注它的导电功能。90年发现聚对苯撑乙烯(ppv)E81具有电致发光功能，于是本征半导态的电致发光、光伏打等效应【9’”o又吸引了人们的目光。共轭聚合物材料的这些光电功能是由它们共轭结构中的电子状态所决定的，所以人们逐渐把它们叫做“电子聚合物”。1掺杂[11·12】真正纯净的共轭聚合物是不导电的。要使它们表现出导体或者半导体的特征，必须使它们的共轭结构产生某种缺陷，即进行某种“激发”。而“掺杂”是最常用的方法。掺杂就是在共轭聚合物上发生的电荷转移或氧化．还原反应。有电化学掺杂法、化学掺杂法及物理掺杂法。1．1化学掺杂法即使聚合物发生电荷转移，如：P+(3

4、／2)h—一P+(13)一P型掺杂P+Na+(cml-h)一—÷P一№++CloH8N型掺杂1．2物理掺杂法一般有两种方式，一种是对聚合物进行离子注入。注入阴离子聚合物则为P型掺杂，注入阳离子则为N型掺杂。另一种对聚合物进行“光激发”，当聚合物吸收一定波长的光之后表现出某些导体或半导体的性能，如导电、发光等。2C印材料及互穿网络结构[13]聚合物对光的吸收过程包括光激发下电子．空穴对(即激子)的产生和光电池两电极对电荷的收集。电荷收集需要电子．空穴对事先分离，半导体材料间具有不同的离解能和电子亲和力会促使激子的分离0因此，用单一聚合物材料制成的器件效率通常都很低(约1

5、0一一10‘2％)。Tang[14J用酞菁(MPc)、菇红(Prrc)两种不同有机化合物分别作为电子给体和受体研究复合体系的光电器件：1TO／PrC／CuPc／Ag，发现其效率较单一有机半导体光电器件有很大提高。但是有机物接受电子收稿日期：2003-0422；傣回日期：2003-09-25基盒硬目：教育部博士点基金资助项目(20020610009)联系人简介：李瑛(1962一)，女，教授，主要研究有机功能材料。E呻a：pmni—ng@ey∞．net万方数据144化学研究与应用第16卷的能力不强，电子传输能力也差，因而限制了器件效率的进一步提高。C∞的使用从很大程度上弥

6、补了这一不足之处。它具有三维共轭结构完美的对称性和小的重组能，最多可以接受6个电子。相对于共轭聚合物有高的电子亲和势以及较好的电子传输性能，是非常理想的电子受体。在％中分离激子约需2．3—2．3eVCl5]的能量。这在紫外．可见光范围内是完全可行的。激发态下的C∞和聚合物间的光诱导电荷转移非常迅速，在亚皮秒级，量子效率几乎与电荷分离效率相同。但实验表明含C∞的双层或多层结构的聚合物材料(如pPV[1“，MEH．ppvll7“]，v3xrt”])做成的太阳电池效率仍很低。如sarici‰iLtSl对ITO／MEH—PPV／C∞／Au双层器件的光电性能进行了研究，发现其填

7、充因子为0．48，开路电压为0．44V，短路电流为2．08×10一A／era2，能量转换效率为0．04％。激子在异质结处发生电荷分离的效率接近100％，但双层或多层结构光电池的效率却低得多。这主要有三方面的原因：一是电荷的分离只有在异质结的界面处才能发生，总效率会因界面面积限制而降低。二是激子扩散的限制。激子的扩散距离只有光吸收层的十分之一，因此光照产生的激子大多数未到达界面就已复合。三是受载流子收集效率的限制。分离电荷必须在电极上被收集才有效，双层或多层结构不利于载流子的传输与收集，造成了效率低下。1995年yu[”1采用了一种新的互穿网络(int