有机太阳能电池材料

有机太阳能电池材料目录1、有机太阳能电池材料的研究背景；2、有机太阳能电池材料的工作原理；3、有机太阳能电池材料的种类；4、有机太阳能电池材料的材料研究；5、总结和展望1、有机太阳能电池材料的研究背景太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁可再生能源。基于此，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，通过开发太阳能资源来寻求新动力。在众多太阳能的利用方式中，太阳能电池被认为是最有前途的，然而无机太阳能电池因其本身缺陷而受到限制。当今，能源短缺和环境污染两大问题已成为制约国际社会经济发展的主要问题。太阳能电池的制作主要是以半导体材料为基础，利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应。硅太阳能电池以无机盐如硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池有机功能高分子大阳能电池纳米晶太阳能电池有机太阳能电池具有柔性好，重量轻，生产成本低廉等特点已成为光伏领域研究的热点之一。有机太阳能电池可以采用溶液处理的方法制作成器件，改变传统太阳能电池的制作工艺，具有广阔的应用前景。近年来，有机太阳能电池的光电转化效率具有突破性的提高。2001年有机太阳能电池光电转化效率仅为2.5%，2011年servic研究小组制成有效面积1cm2的有机太阳能电池%其光电转化效率已经超过10%。近年来有机太阳能电池的光电转化效率变化趋势如图所示：2、有机太阳能电池材料的工作原理有机太阳能电池按结构可分为：(1)、单质结结构；(2)、p-n异质结结构；(3)、p-n本体异质结结构。单质结结构的有机太阳能电池其电池结构为：玻璃/金属电极/染料/金属电极，两端为2种功函不同的电极，中间为一单一的有机半导体层。其工作原理为：两个电极的功函差或金属与有机材料接触而形成的肖特基势垒产生内电场。电子从低功函的金属电极穿过有机层到达高功函电极，在内电场作用下形成光电流。由于电子与空穴在同一材料中传输，复合几率较大，所以单质结结构有机太阳能电池的光电转换效率低。2.1、单质结结构2.2、p-n异质结结构p-n异质结结构有机太阳能电池电池结构为：玻璃/ITO/n-染料/p-染料/金属电极。与单质结结构有机太阳能电池相比，其光电转换效率高，因为供体-受体异质结结构的存在。其工作原理为：(1)供体材料吸收太阳光产生激子，(2)激子迁移到供体-受体界面，然后通过电子的传输过程使得激子分离出空穴和电子，(3)在内电场的作用下自由载流子迁移到各自的电极上。D/A界面能提高激子的分离效率，此外，电子和空穴分别在不同的材料中传输，使得复合几率降低，提高光电转换效率。但这种结构也有缺陷，由于有效的电荷分离只能发生在D/A界面处，使吸收光子的数量受到限制，因此此类有机太阳能电池的光电转化效率仍然不高。2.3、p-n本体异质结结构p-n本体异质结有机太阳能电池电池结构为：玻璃/ITO/A+D混合材料/金属电极。结构中供体和受体分子紧密接触，形成D-A连接网络，增加了D/A接触面积，形成无数小的p-n结，分别建立起空穴和电子传输通道，从而提高光电转化效率。但这种结构也有缺陷，由于固态相容性不好，容易发生相分离从而破坏器件的性能。3、有机太阳能电池材料的种类有机太阳能电池根据供体材料可分为有机小分子太阳能电池和有机聚合物太阳能电池。有机小分子由于分子结构明确的、分子量固定、且有较高的纯度和较好的重复性，使其在有机太阳能电池中备受受青睐。其中给体-受体(D-A)型有机小分子材料成为了有机太阳能电池研究的新的增长点，因为其吸收光谱较宽、空气稳定性好、还易于调节的能级水平和光电性质。目前，性能较好，研究最多的给体-受体(D-A)型有机小分子材料有以下几类：(1)2,1,3-苯并噻二唑类给-受体有机小分子。基于该单元构建的可溶液加工的D-A型小分子的最高光电转换效率高达4.3%；(2)氰基类给体-受体有机小分子。目前基于单氰基构建的可溶液加工有机小分子太阳能电池的最高光电转换效率高达3.82%；基于丙二氰基的给体-受体有机小分子获得体异质结太阳能电池的最高Voc为1.07V，最高光电转换效率为5.08%；基于2-吡喃-4-亚基丙二氰构建的给体-受体有机小分子体异质结太阳能电池的最高光电转换效率为2.47%。(3)基于吡咯并吡咯二酮构建的给体-受体有机小分子，其可溶液加工的D-A型小分子的最高光电转换效率高达4.4%。(4)基于份菁、硼络合二吡咯和方酸构建的给体-受体有机小分子，实现了目前有机小分子体异质结太阳能电池的最高光电转换效率5.5%。总的来说，最近几年科研工作者们对有机小分子子有机体异质结太阳能电池中的应用倾注了大量的心血，使得其光电转换效率得到了极大地提升，距离有机太阳电池工业化的脚步也越来越近。4.1应用于有机太阳能电池的小分子材料4、有机太阳能电池材料的材料研究小分子光伏材料由于具有纯度高、易合成等优点，成为研究光伏器件基本原理的理想材料之一。小分子光伏材料一般采用热蒸镀方法制备器件，部分可溶性小分子也可以采用溶液旋转甩膜法、喷涂法、自组装法、推膜法和丝网印刷等方法.概括地讲,小分子光伏材料主要分为5类:酞菁类材料、液晶材料、稠环芳香化合物、噻吩寡聚物和三苯胺及其衍生物等.4.1.1酞菁类材料酞菁类化合物是典型的p型有机半导体，具有大π键。酞菁类化合物的主要吸收峰一般位于600-800nm的光谱区域内，恰好与太阳光谱的最大峰位相匹配，故此类材料比较适合作为给体材料(donor，D)吸收光能。4.1.2液晶材料2001年，SchmidtMende等人在Science杂志上首次报道了用共轭盘状液晶分子HBC-PhC12作为电子给体材料，苝类化合物PT-CDI作为电子受体材料(acceptor，A)，通过旋转甩膜的方法制备太阳能电池器件。实验发现，在波长为490nm的弱光照射下，光伏器件的外量子效率达到34%。随着光强的逐渐增大，器件的性能呈迅速降低的态势。4.1.3稠环芳香化合物稠环芳香化合物具有共轭结构。利于载流子的迁移。1986年，邓青云等人基于稠环芳香衍生物PV(也称作PTCBI)和酞菁铜，制备了双层异质结光伏器件，其能量转换效率达到0.9%(模拟一个太阳光照条件下)。此外，并四苯(Tetracene)以及并五苯(Pentacene)都可作为良好的给体材料应用于太阳能电池中。基于并四苯/C60和并五苯/C60作为活性层，制备的双层异质结器件的效率分别达到了2.2%和1.6%。4.1.4噻吩寡聚物在寡聚噻吩的两端引入强吸电子基团二氰基乙烯基(DCV)后，得到受体-给体-受体体系DCV5T材料，该材料使寡聚噻吩的能隙下降了0.7eV。基于DCV5T和C60制备的双层异质结器件，其能量转换效率达到3.4%。2006年，Sun等人合成了新型X状噻吩寡聚物X-OT。在这类材料的合成过程中，可以有效地调节噻吩支链的长度，达到优化材料光伏性能的目的。实验发现，材料中的噻吩环越多，光伏性能越好，这主要是因为噻吩支链越长，电子的共轭性就越好，材料的光谱吸收范围就越宽；同时，噻吩支链越长还可以进一步优化材料的成膜性能。目前，基于给体材料X-OT制备的光伏器件，在100mW/cm2的模拟太阳光照射下，其能量转换效率为0.8%。此外，还有以Si为核心的星状材料，也是光伏性能较好的电子给体材料。4.2应用于有机太阳能电池的聚合物材料应用于有机太阳能电池的聚合物结构中一般含有双键或多环芳烃。这些共轭体系具有较高的载流子迁移率,利于传导空穴。聚合物材料的能级是否能与受体材料(如C60，PC61BM和PC71BM等)的能级较好地匹配，是影响光伏器件性能的重要原因。聚合物的能级宽度Eg决定了吸收太阳光的光谱范围。由于太阳光能量中含有较多红外光成分，因此开发窄带聚合物给体材料成为当前有机太阳能电池研究的热点之一。聚合物材料的HOMO能级越低，光伏器件的开路电压越大。聚合物材料与受体材料的LUMO能级之差决定了激子分离的驱动力大小，为了能使激子有效地分离为电子和空穴，能级之差的数值应不小于0.3eV。因此，聚合物材料的HOMO与LUMO的能级大小直接决定了太阳能电池的光伏性能。人们为了调控给体材料的能级，合成了一批光伏性能优良的聚合物材料，大致可分为3类：聚苯撑乙烯(PPV)及其衍生物材料，聚噻吩衍生物材料和D-A型共聚物材料。4.2.1PPV及其衍生物材料PPV是较早应用于太阳能电池中的聚合物材料。然而，PPV在有机溶剂中的溶解度有，这个特点在一定程度上限制了PPV在太阳能电池中的应用。为了改善其溶解性，人们在PPV的苯环上接入烷氧基支链，得到材料MEH-PPV，较好地改善了原有材料在有机溶剂中的溶度，方便了光伏器件的制备。实验发现，基于MEH-PPV:PC61BM(质量比为1:4)的光伏器件，其能量转换效率达到1.3%。ShaheenSeanE.等人对PPV进行进一步修饰，得到了聚合物材料MDMO-PPV，该材料改善了混合膜层的表面形貌和成膜质量，器件效率提高到了2.5%。然而，由于PPV的禁带宽度比较大(~2.2eV)，导致PPV及其衍生物普遍存在吸收光能效率较低的缺陷，从而在一定程度上影响了有机光伏器件的能量转换效。4.2.2聚噻吩衍生物材料2005年，Heeger研究小组发现，基于聚噻吩材料P3HT的光伏器件经过退火处理，器件效率达到5%。退火过程可以改变有机膜层的相分离程度，从而优化有机材料中激子分离和载流子传输。IoanaR.Gearba等人则基于热致互连P3HT材料制备了性能优良的光伏器件，该材料的空穴迁移率较普通P3HT材料提高了5倍，器件效率也提高到原来的3倍。4.2.3D-A型共聚物材料D-A型共聚物是近年来研究较多的一类材料，聚合物单元由一个疏电子基团(给体基团)和一个亲电子基团(受体基团)组成。人们可以通过改变亲电子基团在聚合物结构中的比重，从而实现HOMO和LUMO能级位置的调制，进而得到能级匹配且能带宽度较小的聚合物材料。聚合物的HOMO与LUMO的能级位置是通过给体和受体的能级位置叠加而形成的。人们可以对D,A两种单体做不同的修饰，改变单体的能级位置，从而调制共聚物的能带宽度与能级位置。从表1中可以看出，这些材料的能带宽度Eg较PPV(能带宽度为2.1eV)与P3HT(能带宽度为2.1eV)都偏小，介于1.7-1.9eV之间，而TDPP-BBT的Eg更是低，这使得基于T-DPP-BBT的光伏器件，其吸收宽拓展为300-800nm，涵盖了可见光和近红外区域。有机材料的宽吸收带无疑是制备高效光伏器件的前提。5、总结和展望有机太阳能电池的主体材料一般为非晶态的小分子或聚合物，其载流子传输性能虽然逊于无机材料，但有机太阳能电池有着自身的优势：有机分子易于修饰；可通过甩膜、推膜、丝网印刷、喷涂、自组装和热蒸镀等方法制备器件，方法简便易行；将主体材料制备到柔性衬底上，易于得到柔韧且大面积的光伏器件。对于有机太阳能电池的商业化，关键是电池的各种性能参数特别是总光电转换效率如何提高。解决问题的主要出路主要为以下三个关键方面，即电池的运作机理、电池的制作材料和制作工艺。目前，制约有机太阳能电池的根本原因为缺少合适的供体材料。由于该类电池机理还没有出现重大的新突破，要寻找新的依据来指导该材料的设计，可能会需要一段时间才能解决。但可以预测，效率高、成本低、工艺简单的有机太阳能电池，在将来必然会商业化和普及。有机太阳能电池的诸多优点正吸引着越来越多的科技工作者投身到相关的研究中。我们相信，在不久的将来，有机太阳能电池的能量转换效率终将达到实用化需求，有机光伏器件的应用景一片光明！