有机光伏材料严涌

《有机光伏材料严涌》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、有机光伏材料综述能源是人类社会发展的驱动力，是人类文明存在的基础。目前我们所能利用的能源主要是煤、石油和天然气等传统石化资源。自从18世纪工业革命以来，人类对能源的需求不断増长，屮此导致的能源安全问题闩益凸显。人阳直径为1.39*106km，质量为1.99*10wkg，距离地球1.5*108km。组成太阳的质量大多是些普通的气体，其屮氢约占71.3%、氦约占27%，其它元素占2%。太阳从屮心向外可分为核反应区、核辐射区和对流去区、太阳大气。我们平常看到的太阳表面，是太阳大气的最底层，温度约是6000k。太阳每分钟发出的总能量为2.27*1025kJ,尽管只冇22亿分之一的能量辐射到地球上，

2、但太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤燃烧所产生的能量。1太阳能电池1.1太阳能的利用太阳能的利用包括很多种技术手段，例如太阳能热水器、光解水制氢气、太阳能热发电以及光伏发电。前二者的应用水平较低，要想大规模地提供能源，主要得靠后W种技术。太阳能热发电□前主要有三种实现方式，即塔式、槽式和碟式。这三种技术的基本原理都是通过将太阳光聚焦，加热水或者其他工质（例如热熔盐和空气）,通过热循环驱动发电机组来发电。太阳能热发电技术以较为成熟的机械工艺为基础，在规模足够大之后可望实现经济运行。但是这样的热电站也兼具传统热电站的缺点，即建设成本高，机械损耗大，维护成木高，而且只能在专用地上建

3、设，无法与已有城乡建筑物进行集成。在太阳能热发电领域，我国起步较晚，技术积累较少，0前尚不具备对外的竞争优势。1.2光伏技术“光伏”这个词译自“Photovoltaic”，B卩“光”和“伏特”的组合。这个词最早是用來描述一些材料在光照下形成电压的现象，后来人们认识到光电压的形成是由于材料中的电子被入射的光子激发而形成了电势差，从而形成对外的电流电压输出。采用光伏原理发电的设备，我们称之为“太阳能电池”。最早的光伏效应是EdmundBequerel在1839年发现的，一百多年后（1954年），随着硅半导体工业的发展，第一个能用于实际发电的太阳能电池才在W尔实验室问世。这个太阳能电池以硅半导体

4、的p-n结为基础，光电转化效率为6%。半导体p-n结的结构及原理如图1所示。当p型和n型的半导体相互接触时，由于浓度差的存在，p型半导体中的空穴会向n型半导体扩散，n型半导体中的电子也会向p型半导体扩散，造成接触面双侧的电荷不平衡，从而形成由n型区指向p型区的空间电场。反映在能级图上，即p型区和n型区的费米能级一致化后，两个区域间形成了一个能级差，这个能级差即是内建电场（Ebi）。p型区和n型区之间的过渡区域，称为p-n结的结区。在结区内，内建电场会驱使电荷进行定向传输。阳极°"0©©©®❺:n-type©®i©©:兌e阴极o图1:p-n结型太阳能电池的工作股理光照下，半导体中的电子会从价

5、带跌迁到导带，于是在p型区屮就产生了额外的电子，在n型区中则产生了额外的空穴，我们称此类载流+为“少数载流子”（P型区的多数载流子为空穴，n型区的多数载流了•为电了）。这些少数载流子如果能扩散到p-n结区内，就会在内建电场的驱使下定向移动到p-n结的另一侧，完成电荷分离；而扩散不到结区的载流子，则会失去能量冋到基态，也就是“复合，，了O显然，只有实现分离的电荷能被导出到外电路，从而实现光电转化；复合的那部分电子所吸收的能量就转化成热，浪费掉了。耍提高太阳能电池的光电转化效率，就耍提高半异体材料屮少数载流子的扩散距离，减少少数载流子复合的几率。因此，这种p-n结型的太阳能电池对半导体材料的纯

6、度要求很高，例如在晶体硅太阳能电池屮，硅材料的纯度通常要达到99.9999%以上。在材料的界面上，通常结构的缺陷和化学杂质会比材料内部更多一些，所以太阳能电池的结构往往设计成如图2所示。在这样的结构中，基区比发射区厚得多，光吸收主耍由基区完成。基区（通常为p型）吸收光子后，电子被由价带激发到导，产生一对相互分离的电子和空穴（1）;在基区中，电子为少数载流子,经过扩散后抵达p-n结区，在内建电场的作用下进入发射区，实现电荷分离（2）;空穴则为基区中的多数载流子，被直接传导到背电极（3）。经过这样的过程，正电荷与负电荷分别在背电极和.1卜:面电极上积累，形成对外电路的电压，太阳光的能量也从时被

7、转化为电能。发射区（zr型〉«l<(pV.)图2:品体硅太阳能电池的基本结构1954年之后，以无机半导体材料为基础的太阳能电池，其基木结构与工作原理都大体如此，进步都只是工艺上，细节上的。2有机光伏材料2.1有机半导体材料的分子特征科机半导体材料与传统半导体材料的区别不言自明，即有机半导体材料都是由有机分子组成的。有机半导体材料的分子屮必须含有共轭键结构。如图1所示，在碳-碳双键结构屮,两个碳原子的pz轨道组成一•对II