聚合物太阳能电池研究进展毕业论文

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1、北京化工大学研究生课程论文论文题目：聚合物太阳能电池研究进展学院名称：＿化学工程学院课程名称：科学研究方法任课教师：＿＿＿＿＿＿＿学号：＿＿姓名：＿＿＿＿＿专业：＿＿＿材料科学与工程＿＿日期:2016年1月15日聚合物太阳能电池研究进展摘要：聚合物太阳能电池作为一个新的研究领域，为能源危机带来了新的希望。本文综述了聚合物太阳能电池的工作原理和结构以及常见的太阳能电池材料，着重介绍了近年来太阳能电池新材料的发展状况，并对聚合物太阳能电池的为来发展趋势做出展望。关键词：聚合物太阳能电池，给体材料，受体材料太阳能是一种易于获取、安全、洁净无污染、取之不尽用之不竭的新能源，为人们解决

2、能源危机提供了一种新的思路。聚合物太阳能电池相对于硅基太阳能电池，具有柔性、可溶液加工、成本低廉、轻薄、材料的分子结构的可设计性等优势。但是，与硅基太阳能电池相比，聚合物太阳能电池的光电转换效率仍相对低，制约了其大规模应用。因此，研究新型聚合物太阳能电池材料成为国内外的研究热点。在过去的几十年中，太阳能电池得到了迅猛的发展。上个世纪五十年代贝尔实验室首次成功研究出了光电转换效率为6%的硅太阳能电池[1]。经过半个世纪的发展，太阳能电池的光电转换效率如今已达到39%，并且占具了70%左右的太阳能电池的市场，特别是在航空、航天等高技术领域更是独领风骚。但是由于其制作工艺复杂、制作

3、成本高，要制备大面积的无机太阳能电池却面临种种困难。于是，聚合物太阳能电池的研究逐渐受到人们的关注。科学家们在20世纪70年代起开始探索将一些具有共轭结构的有机化合物应用到太阳能电池，由于聚合物太阳能电池具有制备工艺简单、低成本、质量轻、可弯曲和面积大等优点,进而受到各界的广泛关注，但是目前聚合物太阳能电池光电转换效率较低，文献报道中大约多为10.5%左右[2]。因此，研究合成新型高效聚合物太阳能电池迫在眉睫。1聚合物太阳能电池的基本知识1．1聚合物太阳能电池的工作原理：聚合物太阳能电池的工作原理如图1.1以及图1.2所示：图1.1基于给体/受体方式的聚合物太阳能电池的光伏效

4、应示意图当具有合适能量的光子通过ITO玻璃照射到光敏活性层上时,光敏活性层上的给体或受体材料吸收光子产生激子,然后激子扩散到给体/受体界面并且在那里发生电荷分离,进而在给体上产生空穴和在受体上产生电子，然后空穴沿给体传递到阳极并被阳极收集,电子沿受体传递到阴极并被阴极收集,最终产生光电流和光电压。给体和受体材料的吸光性能、给体的空穴迁移率,受体的电子迁移率,以及其最高占有轨道(HOMO)和最低空轨道(LUMO)能级的位置对有机光伏器件的性能有着很重要的影响。对于电子能级而言,给体材料应该具有比较高的LUMO和HOMO能级,而受体材料却应该具有较低的LUMO和HOMO能级,这样

5、才能保证在给体/受体界面上、给体中激子在LUMO能级上的电子可以自发地传递到受体的LUMO能级上,受体中激子在HOMO能级上的空穴可以自发地传递到给体的HOMO能级上,从而实现电荷的分离。简而言之，聚合物太阳能电池的光电转换可以简化为以下4个过程：图1.2聚合物太阳能电池的工作机理（1）给体受到光激发产生激子，（2）激子扩散到D/A界面（3）激子在D/A界面分离形成一个电子-空穴对（4）自由载流子在外部电极运输和收集。1.2聚合物太阳能电池的结构：如图1.2所示：本体异质结型聚合物太阳能电池器件的组成：下层是ITO玻璃作为正极，上层是Ca/Al等金属电极作为负极，中间是由共轭

6、聚合物给体材料和富勒烯衍生物（PCBM）受体材料的共混膜作为光活性层。其中，共轭聚合物的结构对聚合物太阳能电池的效率有着关键的影响。图1.3本体异质结聚合物太阳能电池结构(放大图为活性层双连续相的形貌)1.3聚合物太阳能电池的性能参数：聚合物太阳能电池的等效电路图以及电流-电压特性曲线如图1.4和1.5所示：图1.4有机聚合物太阳能光电池的等效电路图图1.5电流—电压特性曲线对于有机聚合物太阳能电池，主要评价参数有以下几点：（1）开路电压（Voc）：是指聚合物太阳能电池在开路情况下，电流为零时的端电压,同时也是太阳能电池产生的最大电压,通常单位为V。聚合物太阳能电池的开路电压

7、与光照强度、温度以及受体材料有关,主要取决于给体的HOMO能和受体的LUMO能之间的能级差：（2）短路电流（Jsc）：短路电流是在电压和电阻都为零时通过的电流，即器件在没有外电场偏置情况下的电流，是在太阳能电池最大的输出电流，单位为mA.cm-2。短路电流的大小的影响因素主要有：活性层对太阳光的吸收、电荷分离的量子效率、载流子在材料中的传输以及传输过程中的损耗等。（3）填充因子（FF）：定义为聚合物太阳能电池的最大功率与开路电压和短路电流的乘积之比，它说明了聚合物太阳能电池能够对外提供的最大输出功率的能