Part6光伏材料与器件2017秋季-Organic太阳电池(2).pptx

光伏材料与器件;第六章 有机薄膜太阳电池;导电聚合物的发现和发展历史; ;Alan J. Heeger;有机光电材料(RFID,OSC,OTFT,OLED);导电聚合物的应用;薄膜太阳能电池 柔性显示装置 有机薄膜晶体管 有机存储器件，……;有机薄膜晶体管的优势;有机薄膜晶体管组件(OTFT);印刷式柔性有机IC;OLED显示器优势;可挠式全彩OLED显示器;有机光电科技--时势所趋的未来主流;全有机整合电子产品概念图;有机太阳电池的特点;有机太阳能电池的优点和不足;目前有机太阳能器件的缺点： 材料迁移率低，高体电阻，从而导致能量转换率低。 材料稳定，耐久性不够好，电池寿命短。 相对于制造无机电池的高昂代价来讲，有机太阳能的研究仍旧有很强大的生命力。;van de Waals 力 没有自由载流子或者很少，因为材料中的缺陷和杂质 离散能级 (但通常也用能带来描述) ;聚合物太阳能电池的发展历??;;第一个有机光电转化器件是由Kearns和Calvin在1958年制备的，其主要材料为镁酞菁(MgPc)染料，染料层夹在两个功函数不同的电极之间。该器件获到了200 mV的开路电压，光电转化效率较低。此后二十多年间，有机太阳能电池领域内的创新不多，所有报道器件之结构都类似于1958年版，只不过是在两个功函数不同的电极之间换用各种有机半导体材料。;1986年，柯达公司的邓青云博士制备了四羧基苝的一种衍生物（PV）和铜酞菁（CuPc）组成的双层膜异质结器件，用两种有机半导体材料来模仿无机异质结太阳能电池，光电转化效率达到1％左右。这种双层膜异质结的结构至今仍然是有机太阳能电池研究的重点之一。 ;1992年，土耳其人Sariciftci发现，激发态的电子能极快地从有机半导体分子注入到C60分子而反向的过程却要慢得多。1993年，Sariciftci在此发现的基础上制成PPV/C60双层膜异质结太阳能电池。此后，以C60为电子受体的双层膜异质结型太阳能电池层出不穷。;研究人员在异质结太阳能电池的基础上又提出了一个重要的概念：体异质结 （Bulk Heterojunction） ;体异质结;与无机异质结电池区别：;有机太阳电池的工作原理;常见的给体和受体分子;光敏层的禁带宽度 寻找光谱响应与太阳光相匹配的有机光敏材料 激子的解离：光激发有机/聚合物太阳能电池材料产生偶激子后，需要分离才能向电极迁移。为了形成具有电荷分离作用的异质结, 材料体系的选择非常重要：激发态寿命；迁移率；界面能级特性 ;光敏层的载流子迁移率; 结构的改进 肖特基 异质结 体异质结 阻挡层、复合层;退火工艺 利用退火对材料进行重新的组织形成一定的晶态和良好的双联通结构，进而改善迁移率，改进器件性能。;成膜工艺 有机器件一般采用真空蒸镀的方式来沉积薄膜，当然对于大分子最常用的是旋涂，溅射由于粒子能量较大不宜用来直接在有机物上镀膜。 改进方法：溶剂、厚度、成分比例;新型功能分子的设计和改造 不同物质的特性不同因而对器件的影响是很大的。 改造富勒烯系列分子 液晶分子（自组织） 双区分子的合成（自组织，引入C60） ;电极的改进 清洗（HCl等）、紫外臭氧处理、PEDOT：PSS、ITO的替代（PEDOT：PSS、碳纳米管）、LiF;Light absorption ; 虽然有机太阳能电池具有廉价、易于加工、可大面积成膜等优点，但与无机硅太阳电池相比，在转换效率、光谱响应范围、电池的稳定性方面，有机太阳电池相比无机还有很大的差距。分析原因主要是由于： (1)有机物材料本身所具有的缺陷。 高分子材料大都为无定型，即使有结晶度，也是无定型与结晶形态的混合，分子链间作用力较弱。使得高分子材料载流子的迁移率一般都很低。 高分子材料的禁带宽度Eg相较于无机半导体材料要大的多。有机高分子的光生载流子不是直接通过吸收光子产生，而是先产生激子，然后再通过激子的离解产生自由载流子，这样形成的载流子容易成对复合，最后使光电流降低。 ; 共轭聚合物掺杂均为高浓度掺杂。这样虽然能保证材料具有较高的电导率，但载流子的寿命与掺杂浓度成反比，随着掺杂浓度的提高，光生载流子被陷阱俘获的概率增大，导致电池的光电转换效率很小。 有机物本身易与水和空气起反应，以及其光化学稳定性较差都是影响其效率的重要因素。 （2）光伏器件制作工艺 电极的选取；半导体表面和前电极的反射；掺杂层复合材料相分离的互穿网络的微观结构；制作过程中的氧气和水分的影响以及器件的封装。