聚合物本体异质结型太阳能电池研究进展-宁波市化工数字图书馆

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1、万方数据第6期高分子通报9聚合物本体异质结型太阳能电池研究进展王彦涛，韦玮，刘俊峰，张辉(西安交通大学环境与化学工程学院，西安710049)摘要：聚合物本体异质结型太阳能电池是一种基于电子给体／受体混合物薄膜的高效率有机光伏器件。文中介绍了近年来聚合物本体异质结型太阳能电池的最新研究进展，指出了目前存在的问题和今后的发展方向。关键词：有机太阳能电池；共轭聚合物；异质结随着全球对能源需求的日益增加，石油、煤炭、天然气等传统能源日益枯竭，地球每年吸收的太阳能为5．4×1酽J左右，相当于目前世界上所有可用能源的几万倍。因此太阳能

2、的利用，尤其是直接利用太阳辐射转变为电能的太阳能电池的应用，特别受人关注。目前，太阳能电池有很多种，几乎所有商品化的太阳能电池都是由硅或者无机化合物半导体制成，然而其高成本，制造过程当中的毒性和不易柔性加工等缺点，使得人们从上个世纪70年代开始关注有机太阳能电池研制，尤其是共轭聚合物太阳能电池的研究更是近年来研究的一个热点。这种聚合物电池具有很多独特的性质，如：可提供湿法加工成膜(旋涂、刮涂及丝网印刷等)；可制成柔性器件、特种形状器件以及大面积器件；共轭聚合物很容易和其他有机或者无机材料共混而制备杂化器件等等。目前，纯聚合

3、物太阳能电池光电转换效率大都很低⋯，为1％一2％，制约其能量转换效率的主要因素是电池的光谱响应与太阳光地面辐射不匹配、载流子在势场中的迁移率以及载流子的电极收集效率低等。光诱导电荷转移现象的发现u。-，使得聚合物太阳能电池的效率有了大幅提高。如Sarlcifici等“1发现聚2一甲氧基．5．(2一己基己氧基)一1，4一对苯撑乙烯(MEH．PPV)与c。的复合体系中存在光诱导电子转移现象。利用共轭聚合物作为电子给体材料(D)，有机小分子或者无机半导体作为电子受体材料(A)制成复合薄膜，通过控制相分离的微观结构形成互穿网络，从

4、而在复合体中存在较大的D／A界面面积，每个D／A接触处即形成一个异质结，同时D／A网络是双连续结构的，整个复合体即可被视为一个大的本体异质结，以这种复合体薄膜为活性层的太5Et能电池被称为聚合物本体异质结型太阳能电池。1聚合物本体异质结型太阳能电池的基本理论传统的聚合物光伏电池结构中，入射光子被聚合物层吸收后产生电子和空穴对，这些所谓的激子将会分离成自由载流子而传输到电极的两边。典型的聚合物扩散范围是10nm，这样在载流子扩散过程中就会与杂质等陷阱复合而导致器件效率下降“1。Yu等“1研究了共轭聚合物和C。的双层器件，其在

5、单色光下的能量转换效率仅为0．1％。为了克服这一缺陷，将电子给体材料与电子受体材料混合从而增加D／A之间的界面面积，使得激子在因辐射或非辐射而熄灭前到达这一界面，提基金项目：国家自然科学基金(59983001)；作者简介：王彦涛(1979一)，男．硕士研究生，主要从事光电功能材料的研究。万方数据10高分子通报2004年12月高光伏效率。当光照射到D／A复合体层时，光生电子和空穴发生扩散，电子向受体区域迁移，空穴向给体区域迁移。由于复合体中给体与受体之间形成了异质结界面，所以在这种情况下电子和空穴是不容易相互接近而复合的，从

6、而电子和空穴就会顺利地通过D／A复合层中的互穿导电网络而传输，这有助于太阳能电池能量转换效率的提高。图1聚合物本体异质结型太阳能电池原理示意图Figure1Principleofpolymerbulkheterojunctionsolarcell2聚合物本体异质结型太阳能电池研究进展目前对于聚合物本体异质结太阳能电池的研究主要集中在两个方面，一是多功能新材料的合成开发，二是器件制造技术即薄膜制备技术的提高。本文从所用电子受体材料的不同对聚合物本体异质结太阳能电池的研究进行分类论述。目前比较常用的电子受体材料主要有‰及其衍生

7、物、茈及其衍生物、碳纳米管以及无机半导体化合物等。其分子结构如图2所示。气∥飞。矿飞7c(HH≯八八，广、(a)PCBM(b)perylene鸥露(c)PV图2常见的几种电子受体材料Figme2Severalelectronacceptormaterials2．1C。衍生物作为受体材料的光伏电池c。衍生物是目前研究较多的电子受体材料。由于从激子分离产生的电子是在C。构成的网络中传输，所以在聚合物薄膜中c。的含量应越多越好。然而，受其在有机溶剂中的溶解性的限制，c。在聚合物薄膜中的含量难以得到提高，严重影响了光伏器件能量转换

8、效率。“。因此，一般利用在c。上接枝的方法，提高其在有机溶剂中的溶解性，增加聚合物薄膜中C。组分的比例，提高太阳能电池的效率。万方数据第6期高分子通报图2-a所示[6，6](PcMB)是在有机溶剂中溶解性最好的c。衍生物，其在D／A复合膜中的含量可高达80％左右，Christoph等”4利用PCMB作为