高分子光电材料与器件导论IV.pdf

华南理工大学材料科学与工程学院
2011级博士/硕士研究生课程

高分子光电材料与器件导论
---器件原理及基础

吴宏滨
电子邮件：[e-mail]电话:87114346-24

高分子光电材料与器件研究所
2012年4月
1
课程大纲

高分子光电材料与器件导论---器件原理及基础

第三章基于共轭聚合物的太阳电池（8学时）

1.太阳电池基础知识（太阳光谱，太阳电池等效电路和发展现
状）;

2.太阳电池的基本特性和参数;

3.聚合物太阳电池的结构与原理（结构，聚合物/C60衍生物中
的光诱导电子转移，光生载流子的产生过程，输运，复合和
抽取）;

4.影响聚合物太阳电池性能的主要因素.
2
内容提要

•引言
•太阳电池基础知识

---太阳光谱，太阳电池等效电路，太阳电池的基本特性和参数
•聚合物太阳电池的结构与原理

---结构，聚合物/C60衍生物中的光诱导电子转移，光生载流子的产生过
程，输运，复合和抽取
•聚合物给体光伏材料的进展
•聚合物太阳电池器件的进展

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内容提要

•引言

•太阳电池基础知识

---太阳光谱，太阳电池等效电路，太阳电池的基本特性和参数
•聚合物太阳电池的结构与原理

---结构，聚合物/C60衍生物中的光诱导电子转移，光生载流子的产生过
程，输运，复合和抽取
•聚合物给体光伏材料的进展
•聚合物太阳电池器件的进展
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太阳能---理论上提供无限的能源利用空间

到达地球的太阳辐射功率~1.73*1017W
基本
相当于每秒钟燃烧万吨煤
数据500
相当于现在人类所利用的能源的一万多倍

光伏发电技术是太阳能利用的最有效途径之一
6
目前的三种光伏技术

单晶/多晶无机薄膜太阳电池新出现的太阳电池

◆单晶/多晶硅◆非晶硅，CIGS等◆染料敏化/聚合物/纳米晶

◆活性层>100μm◆活性层～1μm◆活性层～0.1μm

◆最好效率～11％(染料,液
◆组件效率～15％◆组件效率～9％体电解液)

◆寿命：25年◆寿命：10年◆最好效率～8％(聚合物)
产能:27GW9GW尚未商业化

聚合物太阳电池具有巨大的基础创新和应用技术创新空间！7
聚合物本体异质结太阳电池
优点

低能耗的生产工艺（低温成膜；
材料廉价，资源丰富）
质量轻、柔性好、生产成本低和
易于实现大面积加工

聚合物太阳电池从实验室走向规模应用和产业化,
尚需要解决一系列基础科学问题和技术难题!

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未来需要聚合物太阳电池

1TW＝1012W

2011年底我国电力装机容量

约为10亿千瓦，即1TW

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聚合物太阳能电池的发展历史

1986年，柯达公司发表有机光伏打电池：能量转换效率约1%
C.W.Tang,Appl.Phys.Lett.,1986,48,183.

1992年，光诱导聚合物/C60间超快电荷传递的发现
N.Sariciftci,etal.,A.J.Heeger,Science,1992,258,1474
1995年，发明“本体异质结”型单层聚合物/PCBM太阳能电池
G.Yu,etal.,A.J.Heeger,Science,1995,270,1789
2002年，能量转换效率达到3.3%
C.Brabec,etal.,N.Sariciftci,Appl.Phys.Lett.,2002,80,1288
2002年，提出共轭聚合物／无机半导体纳晶杂化型太阳能电池，效率达到1.7%
Huynh,W.U;etal.A.P.Alivisatos,Science2002,295,2425-2427
2004，能量转换效率达到3.85%

P3HT/PCBM,C.J.Brabec，SolarEnergyMaterials&SolarCells,2004,83,273
2005,能量转换效率达到4-5％（溶剂处理和热处理）
P3HT/PCBM,G.Li,etal.,Y.Yang,NatureMaterials,2005,4,864-868.

2007，能量转换效率超过6％（叠层器件）
J.Y.Kim,K.Lee,…A.J.Heeger,Science,2007,317,222.

2009-2010，单层器件能量转换效率达到6-7％（新型给体材料＋PC70BM）
H.Y.Chen,J.H.Hou,etal.,NaturePhotonics,2009,3,649-653
S.H.Park,etal.,M.Leclerc,A.J.Heeger.NaturePhotonics,2009,3,297-303
Y.Y.Liang,etal.,G.Li,L.P.Yu,Adv.Mater.2010,22,E135.
2011年，本实验室率先公开报道能