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主题:【原创】有机太阳能电池技术简介 -- fullerene

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家园 有一个有机太阳能电池的技术论坛

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上面有不少综述文章。

家园 【原创】(4)有机太阳能电池的性能改进

1979年之后,有机太阳能电池的效率在十多年内没有什么提高,邓青云博士的研究也从太阳能电池转向了有机发光二极管(OLED)并成为这项技术的鼻祖。

进入90年代后,Alan J Heeger教授领导的实验室在提高效率方面作出了很多贡献。先是在1992年的时候,Heeger实验室里的一位土耳其博士后Sariciftci发现,导电高分子与富勒烯(C60)之间的光致电子传输速度非常快,达到了皮秒量级;而常温下有机半导体的载流子寿命一般为几百微秒到几个毫秒。也就是说,有机半导体材料对富勒烯的电子注入效率非常高,只要光生激子可以迁移到有机半导体与富勒烯的界面上,那么它就能通过把电子注入到富勒烯而实现将近100%的电荷分离。

以这个发现为基础,1995年Heeger实验室的中国学者俞刚制作了以MEH-PPV和PCBM(富勒烯的一种可溶性衍生物)复合膜为基础的有机太阳能电池,其光电转化效率提升到2.9%。2001年,亚利桑那大学的Shaheen采用了另一种导电高分子MDMO-PPV为电子给体,实现了4.1%的光电转化效率。2005年,Heeger实验室采用P3HT,并对电池进行退火处理,得到了5%的转化效率;在同一年,Forrest实验室利用铜酞菁/C$_{60}$双层膜结构也获得了5%的转化效率。2009年初,通过新的分子设计(如嵌段聚合物PCDTBT)及光学隔层设计,Heeger实验室又取得了6.1%的转化效率。而就在2009年7月,美国的Solarmer公司又公布了6.8%的光电转化效率,不过他们没有公布电池配方。

从图1看,随着创新公司的加入,有机太阳能电池的光电转化效率正处在一个加速上升的过程中。

点看全图

图1:有机太阳能电池的效率提高曲线

要解释清楚这些改进过程的技术原理,应当从材料的性质入手。如有机半导体材料一节所述,有机半导体材料分为高分子型(导电高分子)和小分子型(共轭小分子)两种,这两种材料的优缺点如下:

高分子材料

优点:

通常高分子半导体材料可溶于普通溶剂,因此可以用溶液方法(包括喷涂法、丝网印刷法、滚筒印刷法等)制造太阳能电池。采用溶液方法生产,所需设备简单,生产成本低廉,与第一代和第二代太阳能电池的制造方法相比优势非常明显。

缺点:

高分子材料的分子分散度高,不易提纯,而且载流子迁移率偏低;高性能的导电高分子材料结构较为复杂,合成成本较高;高分子材料的吸光率比较低,必须采用较厚的薄膜才能将入射光完全吸收。而增加薄膜的厚度意味着将增加激子和载流子的传输距离,从而降低光电转化的效率。这是一个两难的问题。

小分子材料

优点:

有机小分子容易合成,容易提纯,因而材料成本比高分子要低。也因为有机小分子纯度更高,其载流子迁移率也比高分子更高些。而且由于分子结构的特点,有机小分子材料的吸光率通常远远高于高分子材料,因而制造电池的时候不需要费心地去制造并维持混合异质结结构。大多数小分子电池的构造是像\autoref{BHJ}甲那样的双层膜结构。因此小分子有机太阳能电池的寿命较长。

缺点:

由于分子结构过于刚性化,通常有机小分子不能溶解于普通溶剂,因此小分子有机太阳能电池就无法通过溶液方法进行制造,而必须通过真空蒸镀来制造。真空蒸镀法所需真空度较高,因而制造过程耗能较大(抽真空很耗电)。而且高真空室的存在会阻断连续的生产线,影响生产速度。

在图1里所显示的轨迹点,除了邓青云和Forrest的电池之外,都属于导电高分子型太阳能电池。在这些高分子太阳能电池的结构设计中,为了解决前述吸光度和载流子传输的“两难”的问题,研究人员所采取的方法都是将电池做成混合异质结,如\图2乙所示。将给体材料和受体材料互相穿插在一起,可以尽量扩大两种材料的接触面积,并缩短激子扩散到给体/受体界面上所需穿越的距离。俞刚博士首创的MEH-PPV/PCBM复合膜,就是一种典型的混合异质结结构。对高分子太阳能电池效率提高的研究因而多集中在给体-受体互空结构的形貌控制以及稳定化上(详见电池工作寿命一节)。

点看全图

图2:(甲)双层膜有机太阳能电池结构示意图,(乙)混合异质结有机太阳能电池结构示意图

对于有机小分子太阳能电池,因为不存在吸光度和载流子传输能力的冲突,这些年来研究的重点多放在材料的掺杂、电池内光场分布的控制、电池缓冲层的能级匹配设计等方面。2009年5月,德国的Heliatek公司也公布了一个效率为5.9%的小分子有机太阳能电池,亦见于图1。

关键词(Tags): #有机太阳能电池
家园 目前的效率离实用还差的远

按楼主说最新的技术不过 6.8%

现在出口欧洲的太阳能电池效率低于16%都没人要

家园 在中国做离网家庭应用效率问题不大

需要离网家庭应用的地方,土地成本极低,安装面积不成问题。中国人工也便宜,安装面积增加总成本增加也不多。只要系统总成本下来就可以了。

家园 貌似这种情况下,

还是非晶硅便宜。

家园 不知道

现在没有有机太阳能电池峰瓦单价的数据。不过,有机太阳能电池的单价要乘5才能与硅基的比较,因为寿命问题。

家园 效率不是最重要的

每瓦成本才是最重要的。

要说效率,砷化镓多结聚光电池已经可以做到40%了,为什么不能大量应用?无非是成本太高。

太阳能电池的“效率”与火电站的“效率”可完全不是一回事,太阳光是不要钱的,只要能低成本的收集起来,那就有经济意义。要是电池成本高到了天上,效率再高又有什么用?

家园 楼主正解!

楼主正解!

太阳能电池最关键的部分就是成本控制。有机Solar Cell最大的缺点就是其可靠性了。相比较于CIGS等无机太阳能电池,Si系统脱颖而出,正式依赖于半导体工业建立起来的工业标准化和质量控制体系啊。

楼主的这个系列很好!座个椅子,慢慢学习,哈哈。

另外:铁手的这个网站应该可以上传图片的啊?

家园 楼主看看这些话

楼主看看这些话。

"有机太阳能电池中的吸光材料通常是电子体,亦即P型材料。"

是“给”还是“受”,是“D”还是“A”。

文中很多处表达好像有些混乱了。

家园 这个没有错啊。

哪里混乱?

有机太阳能电池里的电子给体,就是P型材料,就是Donor,“D”。

家园 图片问题应该已经解决

我就是上传到西西河了。现在应该都能看得到了吧?

家园 这个一定要花,结合井底望天的系列正好可以了解

太阳能电池的发展。

家园 这个效率指的是太阳能利用效率

也就是转换率,即将太阳光入射总能量转变成电能之比。效率越高占地越小,成本则不好说。

有机光电池可以做到成本极低,现在关键是液态电解质的寿命问题。如果电解质可以固态化,寿命问题也许能够解决。

家园 我看到一篇文章说,主要问题是使用寿命。

  现在的只有五年。

家园 你说的是染料敏化太阳能电池

请看这个系列的第二节和第三节,有机太阳能电池从头到尾都是全固态的结构,没有使用任何液体。

含有液态电解质的是染料敏化太阳能电池,和有机太阳能电池不是同一种东西。

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