有机太阳能电池的原理和应用
有机太阳能电池的原理和应用
一、结构和基本原理
目前的有机太阳能电池可以分为三类。
1.1 肖特基型有机太阳能电池
第一个有机光电转化器件是由Kearns 和Calvin在1958 年制备的，其主要材料为镁酞菁（MgPc）染料，染料层夹在两个功函数不同的电极之间。在这种有机半导体器件中，电子在光照下被从HOMO 能级激发到LUMO能级，产生一对电子和空穴。电子被低功函数的电极提取，空穴则被来自高功函数电极的电子填充，由此在光照下形成光电流。理论上，有机半导体膜与两个不同功函数的电极接触时，会形成不同的肖特基势垒。这是光致电荷能定向传递的基础。因而此种结构的电池通常被称为“肖特基型有机太阳能电池”。在这个器件上，他们观测到了200 mV的开路电压，光电转化效率很低。此后二十多年间，有机太阳能电池领域内创新不多，所有报道的器件之结构都类似于1958 年版，只不过是在两个功函数不同的电极之间换用各种有机半导体材料。由于肖特基型有机太阳能电池是单纯由一种纯有机化合物夹在两层金属电极之间制成的，因此效率比较低，现在已经被淘汰。
1.2 双层膜异质结型有机太阳能电池
在肖特基型有机太阳能电池的基础上，1986 年，行业内出现了一个里程碑式的突破。
实现这个突破的是柯达公司的邓青云博士。这个时代的有机太阳能电池所采用的有机材料主要还是具有高可见光吸收效率的有机染料。邓青云的器件之核心结构是由四羧基苝的一种衍生物（又称作PV）和铜酞菁（CuPc）组成的双层膜。这种太阳能电池又叫做p-n 异质结型有机太阳能电池。在双层膜结构中，p-型半导体材料（电子给体（Donor），以下简记为D）和n-型半导体材料（电子受体（Acceptor），以下简记为A）先后成膜附着在正负极上（下图）。D 层或者A 层受到光的激发生成激子，激子扩散到 D 层和 A 层界面处发生点电荷分离生成载流子，然后电子经A层传输到电极，空穴经D层传输到对应的电极。1992 年，土耳其人Sariciftci 在美国发现，激发态的电子能极快地从有机半导体分子注
入到C60 分子中，而反向的过程却要慢得多。也就是说，在有机半导体材料与C60 的界面上，激子可以以很高的速率实现电荷分离，而且分离之后的电荷不容易在界面上复合。这是由于C60的表面是一个很大的共轭结构，电子在由60个碳原子轨道组成的分子轨道上离域，可以对外来的电子起到稳定作用。因此C60 是一种良好的电子受体材料。1993 年，Sariciftci在此发现的基础上制成PPV/C60 双层膜异质结太阳能电池。PPV通常叫作“聚对苯乙烯撑”，是一种导电聚合物，也是一种典型的P 型有机半导体材料。此后，以C60 为电子受体的双层膜异质结型太阳能电池层出不穷。
1.3 混合异质结型有机太阳能电池
随后，研究人员在此类太阳能电池的基础上又提出了一个重要的概念：混合异质结（Bulk Heterojunction）。混合异质结概念主要针对光电转化过程中激子分离和载流子传输这两方面的限制。双层膜太阳能电池中，虽然两层膜的界面有较大的面积，但激子仍只能在界面区域分离，离界面较远处产生的激子往往还没移动到界面上就复合了。而且有机材料的载流子迁移率通常很低，在界面上分离出来的载流子在向电极运动的过程中大量损失。这两点限制了双层膜电池的光电转化效率。
而所谓“混合异质结”，就是将给体材料和受体材料混合起来，通过共蒸或者旋涂的方法制成一种混合薄膜。其给体和受体在混合膜里形成一个个单一组成的区域，在任何位置产生的激子都可以通过很短的路径到达给体与受体的界面（即结面），电荷分离的效率得到了提高。同时，在界面上形成的正负载流子亦可通过较短的途径到达电极，从而弥补载流子迁移率的不足。2008 年3 月，大阪大学和大阪市立研究所宣布，成功开发出了单元转换效率高
达5.3％的有机固体太阳能电池。这一转换效率是通过采用纯度99.99999％以上的C60 结晶
增厚混合薄膜至960nm实现的。此次开发的有机固体太阳能电池的结构为ITO（透明电极）/H2Pc/i 层/C60/NTCDA/Ag（电极）。H2Pc 为酞菁，NTCDA为萘四甲酸酐。i层即为同时蒸
镀p 型半导体H2Pc 和n型半导体C60 而形成的混合薄膜。[2]
相对于双层膜电池，此种结构的效率提高相当明显，目前保持了有机太阳能电池中的最
高效率纪录。
二、材料
2.1.1 有机小分子化合物
早期有机太阳能电池在真空条件下把有机半导体染料如酞菁等蒸镀在基板上形成夹心
式结构。酞菁类化合物是典型的p-型有机半导体，具有离域的平面大π键，在600~800nm 的光谱区域有较大吸收。同时芘类化合物是典型n-型半导体材料，具有较高的电荷传输能力，在400~600nm 光谱区域内有较强吸收。下图展示了目前被广泛用作有机太阳能电池的电子受体材料。[3]2.1.2 有机大分子化合物
在过去的几十年间，人们将具有半导体性质的有机大分子化合物（共轭聚合物）制成各
种光电器件，对电致发光二极管进行了研究，基于共轭聚合物的有机太阳能电池从20 世纪90 年代起得到了迅速的发展。
2.1.3 模拟叶绿素材料
植物的叶绿素可将太阳能转化为化学能的关键一步是叶绿素分子受到光激发后产生电
荷分离态，且电荷分离态寿命长达1s。电荷分离态存在时间越长越有利于电荷的输出。美国阿尔贡国家实验室的工作人员合成了具有如下结构的化合物C-P-Q。卟啉环吸收太阳光，将电子转移到受体苯醌环上，胡萝卜素也可以吸收太阳光，将电子注入卟啉环，最后正电荷集中在胡萝卜素分子，负电荷集中在苯醌环上，电荷分离态的存在时间高达4ms。卟啉环对
太阳光的吸收远大于胡萝卜素。如果将该分子制成极化膜附着在导电高分子膜上，就可以将太阳能转化为电能。三、应用和挑战
3.1 优点及其应用、前景
3.1.1
有机太阳能电池具有如下优点：
（1）化学可变性大，原料来源广泛；
（2）有多种途径可改变和提高材料光谱吸收能力，扩展光谱吸收范围，并提高载流子的传送能力；
（3）加工容易，可采用旋转法、流延法大面积成膜，还可进行拉伸取向使极性分子规整排列，采用LB膜技术在分子生长方向控制膜的厚度；
（4）容易进行物理改性，如采用高能离子注入掺杂或辐照处理可提高载流子的传导能力，减小电阻损耗提高短路电流；
（5）电池制作的结构多样化；
（6）价格便宜。有机高分子半导体材料的合成工艺比较简单，如酞菁类染料早已实现工业化生产，因而成本低廉。这是有机太阳能电池实用化最具有竞争能力的因素。[4]
（7）可降解，对环境的污染小。
主要太阳能电池技术分类比较[5]
技术分代太阳能电池类型原材料生产工艺光电转化效率
第一代：
晶体硅太阳能电
池
单晶硅生产过程污染
高，能耗大
工艺繁琐，成本
高昂
16％－18％
多晶硅生产工艺较单晶
硅简单，但成本
仍较高
12％－14％
第二代：
无机薄膜太阳能
电池
非晶硅薄膜生产消耗的硅料
相对第一代太阳
能电池有所减少
生产工艺较第一
代太阳能电池有
较大简化，但受
到高真空过程的
局限，生产设备
也较昂贵
6％－8％
铜铟镓锡铟的储量稀少，
不足以支撑大规
模生产
11％
碲化镉原料镉有剧毒，
碲储量比白金还
稀少
9％
第三代：
新技术概念
有机太阳能电池原材料成本低廉生产工艺简单6％－7％
染料敏化太阳能电
池
生产工艺比有机
太阳能电池复
杂，电池中包含
液态电解质
5％－12％3.1.2应用及前景
与传统硅电池相比，有机太阳能电池更轻薄，在同等体积的情况下，展开后的受光面积会大大增加。因此，可将有机太阳能电池可以应用于通信卫星中，提高光电利用率。而且，由于其轻薄柔软易携带的特性，有机太阳能电池不久将能给微型电脑、数码音乐
播放器、无线鼠标等小型电子设备提供能源。
在有机太阳能电池上可体现各种颜色和图案，更加精美的设计使它们能够很好融合于建
筑设计等领域。用廉价的有机太阳能电池做某些办公楼的外墙装饰可以吸收太阳能发电供楼内使用（如取暖，照明，工作用电），充分利用了能源。在衣服表层嵌入轻薄柔软的有机太阳能电池与有机发光材料，将太阳能转化为电能并储存，冬天可发热保暖，衣服在夜间也会发出各种颜色的可见光，使人们的衣服更加绚丽。
从目前显示器领域的发展方向来看，更大的面积、更低的成本、更加节能环保以及轻薄
耐用都是热点趋势，柔性显示器不仅具有这些特性，而且具有更多创新应用的发展潜力，从单纯的面板扩大至数字出版、会展布置、广告媒体和建筑设计等产业，深入生活的不同层面，改变整个信息生活的风貌。将有机太阳能电池应用在柔性显示器中，其廉价的成本、轻薄、环保、可折叠的性能比其它电池具有更大的优势。
最近，以视频眼镜和随身影院为重要载体的头戴式显示器得到了越来越广泛的应用和发展。采用有机太阳能电池作为电源给OLED屏幕供电，其轻便性能可以减轻重量，使得头戴式显示器更加人性化。我们预计，有机太阳能电池与OLED的联合使用可以引领电子设备的革命，人们生活与娱乐也将变得更加丰富多彩。
在军事方面，有机太阳能电池与OLED技术的结合可用于集多种通讯能力于一体的护腕
式通讯设备，实时观看视频和图形信息，适合陆军进行野战评估。
在电力方面，有机太阳能电池除了应用在内蒙地区或辽宁西北部地区沙化土地上进行发
电外，还可以用于大面积的植树造林。采用速生的品种让树木在有效的生长期内快速增长，使树木在人为的控制下像粮食一样增产增收。在具体实施过程中，有机太阳能电池和太阳能抽水技术将发挥十分重要的作用。
经计算，模拟叶绿素的有机太阳能薄膜电池理论上光电转化效率可达60-80%[3]，这是有
机太阳能电池提高光电转化效率的可能的重要途径，也是一条发展的新思路。
3.2 缺点及其挑战
3.2.1
与无机硅太阳能电池相比，在转换效率、光谱响应范围、电池的稳定性方面，有机太阳
能电池还有待提高。各种研究表明，决定光电效率的基本损失机制主要有：
1.半导体表面和前电极的光反射；
2.禁带越宽没有吸收的光传播越大；
3.由高能光子在导带和价带中产生的电子和空穴的能量驱散；
4.光电子和光空穴在光电池的光照面和体内的复合；
5.有机染料的高电阻和低的载流子迁移率。
这主要是由于：
（1）高分子材料大多为无定型，即使有结晶度，也是无定型与结晶形态的混合，分子链间作用力较弱。光照射后生成的光生载流子主要在分子内的共轭价键上运动，而在分子链间的迁移比较困难，使得高分子材料载流子的迁移率一般很低。
（2）通常键分子链的Eg 范围是7.6~9eV，共轭分子Eg 范围是1.4~4.2eV。掺杂后导电高分子
的Eg 虽然会下降，但与无机半导体Si、Ge等相比，高分子材料的禁带宽度Eg 依然很高，因
此有机太阳能电池与无机太阳能电池载流子的产生过程有很大的不同。有机高分子的光生载流子不是直接通过吸收光子产生，而是先产生激子，然后再通过激子的离解产生自由载流子，这样形成的载流子容易成对复合，最后导致光电流降低。
（3）共轭聚合物掺杂均为高浓度掺杂。这样虽然能保证材料具有较高的电导率，但载流子
的寿命与掺杂浓度成反比，随着掺杂浓度的提高，光生载流子的增大，电池的光电转换效率η很小。[4]
（4）目前的研究发现激子的扩散距离仅有10nm，所以双层结构中膜的有效厚度为20nm 左
右。因此载流子需要在两层中传输一段距离才能到达电极进行收集。双层膜结构所能提供的界面面积非常有限，而且有机半导体的电阻比较大，电荷在输运的过程中很容易复合，从而限制了光电效率的提高。[3]
3.2.2
挑战：
有机太阳能电池需要电容器储存产生的电量，否则不能在没有太阳光的情况下使用。而
电容器的制造和特性（是否便携）是一个巨大的挑战，有机太阳能电池目前只有即时性的特点，发出的电被导到另外单独的电容器中或者直接被用掉。比如若发明使用有机太阳能电池的手电筒，如果没有储存电能的地方，只有在有光的时候才能亮，没有光就不会亮，这种手电筒是没有实际应用价值的。
改进方法：
1. 设计制造与有机太阳能电池相匹配的电容器，及时存储太阳能转化成的电能。
2. 制造仿生有机太阳能电池。仿照光激发少数叶绿素a 的机制，模拟生物材料制成极化膜附着在导电高分子膜上，可以将太阳能转化成电能。
3. 用染料敏化某些物质，使原来不能吸收可见光的材料能够吸收可见光，这样更多的材料能用于有机太阳能电池的制造，扩大了原料的范围。
4. 优化电池表面结构，将电池表面反射的光重新集聚进入电池。[6]
结语：
有机太阳能电池原理的研究已经取得了一定的进展，将来如果能制造出光转化率更高、
更稳定、轻薄、廉价的有机太阳能电池，它将会广泛应用于生活的方方面面
硅基太阳能电池的发展及应用
.. 硅基太阳能电池的发展及应用 摘要：太阳能电池是缓解环境危机和能源危机一条新的出路，本文介绍了硅基太阳能电池的原理，综述了硅基太阳电池的优点与不足，以及硅基太阳能电池和其他太阳能电池的横向比较，硅基太阳能电池在光伏产业中的地位，并展望了发展趋势及应用前景等。 关键词：硅基太阳能电池转换效率 1引言 二十一世纪以来，全球经济增长所引发的能源消耗达到了空前的程度。传统的化石能源是人类赖以生存的保障，可是如今化石能源不仅在满足人类日常生活需要方面捉襟见肘，而且其燃烧所排放的温室气体更是全球变暖的罪魁祸首。随着如今全球人口突破70亿，能源的需求也在过去30年间增加了一倍。特别是电力能源从上世纪开始，在总能源需求中的比重增长迅速。中国政府己宣布了其在哥本哈根协议下得承诺，至2020年全国单位国内生产总值二氧化碳排放量比2005年下降40% --45%，非化石能源占一次能源消费的比重提高至少15%左右【6】。 目前太阳能电池主要有以下几种：硅太阳能电池，聚光太阳能电池，无机化合物薄膜太阳能电池，有机化合物薄膜太阳能电池，纳米晶薄膜太阳能电池，叠层薄膜太阳能电池等，其材料主要包括产生光伏效应的半导体材料，薄膜衬底材料，减反射膜材料等【5】。
（图1：太阳能电池的种类） 太阳电池的基本工作原理是：在被太阳电池吸收的光子中，那些能量大于半导体禁带宽度的光子，可以使得半导体中原子的价电子受到激发，在p区、空间电荷区和n区都会产生光生电子左穴对，也称光生载流子。这样形成的光生载流子由于热运动，向各个方向迁移。光生载流子在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推进n区，光生空穴被推进p区。因此，在p-n结两侧产生了正、负电荷的积累，形成与内建电场相反的光生电场。这个电场除了一部分要抵消内建电场以外，还使p型层带正电，n型层带负电，因此产生了光生电动势，这就是光生伏特效应(简称光伏)。
有机太阳能电池
有机太阳能电池 摘要有机太阳能电池因具有成本低、质轻、柔韧性好、可大面积印刷制备的优点而受到广泛关注，对电池原理，结构，材料的研究对提高有机太阳能电池的性能有重大意义。本文主要综述了有机太阳能电池的工作原理，电池结构以及电极材料。并对有机太阳能电池的应用前景做了展望。 关键词原理；结构；材料；应用前景 1.有机太阳能电池简介 有机太阳能电池，顾名思义，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。主要是以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，以光伏效应而产生电压形成电流, 实现太阳能发电的效果.由于无机硅太阳能电池的材料生产成本高，污染大、能耗高，寻找新型太阳能电池材料和低成本制造技术便成为人们研究太阳能电池技术的目标。有机太阳能材料和电池制备技术有望成为低成本制造的选择之一。 世界上第一个有机光电转化器件是由Kearns和Calvin在1958年制备的，其主要材料为镁酞菁（MgPc）染料，染料层夹在两个功函数不同的电极之间。1986年，行业内出现了一个里程碑式的突破——有机半导体的发明。器件的核心结构是由四羧基苝的一种衍生物（PV）和铜酞菁（CuPc）组成的双层膜。双层膜的本质是一个异质结，其思路是用两种有机半导体材料来模仿无机异质结太阳能电池。1992年，土耳其人Sariciftci在美国发现，激发态的电子能极快地从有机半导体分子注入到C60分子中，而反向的过程却要慢得多。1993年，Sariciftci在此发现的基础上制成PPV/C60双层膜异质结太阳能电池。随后，研究人员在此类太阳能电池的基础上又提出了一个重要的概念：混合异质结（体异质结）。而所谓“混合异质结”，就是将给体材料和受体材料混合起来，通过共蒸或者旋涂的方法制成一种混合薄膜。给体和受体在混合膜里形成一个个单一组成的区域，在任何
有机太阳能电池原理及其前景展望
电子信息学院 《太阳能电池》 结业论文 有机太阳能电池原理及其前景展望
班级 姓名 学号 指导教师 日期2015.10
有机太阳能电池原理及其前景展望 *** （***） 摘要：俗话说，万物生长靠太阳，地球上的风能、水能、生物质能等等都来自于太阳；即使是化石燃料（如煤炭、石油、天然气等），从根本上说也是来自于太阳。如今，这些远古时期留下来的不可再生资源面临着枯竭的命运，如何寻找新的可替代能源成为当务之急，而太阳能以其清洁环保、资源丰富的特点成为其中一个选择，其中有机太阳能电池是实现将太阳能直接转变为电能的最有前景的器件之一。介绍了有机太阳能电池的基本原理，并对其应用前景做出了展望分析。 关键词：有机太阳能电池；原理；结构；转换效率；缺陷；优势 中图分类号：TM914.4文献标识码：A The Principle of Organic Solar Cells and its prospect *** (***) Abstract:As the saying goes, all living things depend on the sun for their growth, and on earth, wind, water, and biomass energy and so on from the sun;Even (fossil fuels such as coal, oil, natural gas, etc.), basically is from the sun.Today, the non-renewable resources of ancient times to stay face the fate of dried up, how to look for new alternative energy become priority, and the characteristics of solar energy with its clean environmental protection, resources become one of the options, including organic solar cells is the realization of the solar energy directly into electrical energy one of the most promising devices.This paper introduces the basic principle of organic solar cells, and to the analysis and outlook of its application prospect. Key words:organic solar cells;principle;structures;transfer efficiency;defect;superiority 0引言 现今能源问题是世界各国经济发展的首要问题，太阳能是未来最有希望的能源之一[1]，
太阳能电池材料的发展及应用
太阳能电池材料的发展及应用 材料研1203 Z石南起新材料（或称先进材料）是指那些新近发展或正在发展之中的具有比传统材料的性能更为优异的一类材料。新材料是指新近发展的或正在研发的、性能超群的一些材料，具有比传统材料更为优异的性能。新材料技术则是按照人的意志，通过物理研究、材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程，创造出能满足各种需要的新型材料的技术。 随着科学技术发展，人们在传统材料的基础上，根据现代科技的研究成果，开发出新材料。新材料按组分为金属材料、无机非金属材料（如陶瓷、砷化镓半导体等）、有机高分子材料、先进复合材料四大类。按材料性能分为结构材料和功能材料。21世纪科技发展的主要方向之一是新材料的研制和应用。新材料的研究，是人类对物质性质认识和应用向更深层次的进军。 功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。 功能材料是新材料领域的核心，是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导。它涉及信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、海洋工程技术等现代高新技术及其产业。功能材料不仅对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，还对我国相关传统产业的改造和升级，实现跨越式发展起着重要的促进作用。 功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。世界各国均十分重视功能材料的研发与应用，它已成为世界各国新材料研究发展的热点和重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。在全球新材料研究领域中，功能材料约占85%。我国高技术 (863)计划、国家重大基础研究[973]计划、国家自然科学基金项目中均安排了许多功能材料技术项目（约占新材料领域70%比例），并取得了大量研究成果。
太阳能电池历史、原理、分类
太阳能电池历史、原理、分类 引言 太阳能作为一种巨量可再生能源，是人类取之不尽、用之不竭的可再生能源，是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源。将太阳能转换为电能是大规模利用太阳能的重要技术基础，其转换途径很多，有光电直接转换，有光热电间接转换等。但利用太阳能电池进行光电直接转换是运用最为广泛的方式。 历史： 太阳能电池发展历史可以追溯到1 8 3 9 年，当时的法国物理学家Alexander-Edmond Becquerel发现了光伏特效应（P h o t o v o l t a i ceffect ）。直到1883 年，第一个硒制太阳能电池才由美国科学家Charles Fritts 所制造出来。在1930年代，硒制电池及氧化铜电池已经被应用在一些对光线敏感的仪器上，例如光度计及照相机的曝光针上。 而现代化的硅制太阳能电池则直到1946 年由一个半导体研究学者Russell Ohl 开发出来。接着在1954年，科学家将硅制太阳能电池的转化效率提高到6% 左右。随后，太阳能电池应用于人造卫星。1973年能源危机之后，人类开始将太阳能电池转向民用。最早应用于计算器和手表等。1974 年，Haynos 等人，利用硅的非等方性（a n i s o t r o p i c）的蚀刻（etching）特性，慢慢的将太阳能电池表面的硅结晶面，蚀刻出许多类似金字塔的特殊几何形状。有效降低太阳光从电池表面反射损失，这使得当时的太阳能电池能源转换效率达到17%。 1976年以后，如何降低太阳能电池成本成为业内关心的重点。1990年以后，电池成本降低使得太阳能电池进入民间发电领域，太阳能电池开始应用于并网发电。 世界太阳能电池发展的主要节点： 1839年法国科学家贝克勒尔发现“光生伏特效应”，即“光伏效应”。 1876年亚当斯等在金属和硒片上发现固态光伏效应。 1883年制成第一个“硒光电池”，用作敏感器件。 1930年肖特基提出Cu2O势垒的“光伏效应”理论。同年，朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳电池”，使太阳能变成电能。 1931年布鲁诺将铜化合物和硒银电极浸入电解液，在阳光下启动了一个电动机。1932年奥杜博特和斯托拉制成第一块“硫化镉”太阳电池。 1941年奥尔在硅上发现光伏效应。 1954年恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室，首次制成了实用的单晶太阳电池，效率为6%。同年，韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块薄膜太阳电池。 1955年吉尼和罗非斯基进行材料的光电转换效率优化设计。同年，第一个光电航标灯问世。美国RCA研究砷化镓太阳电池。 1957年硅太阳电池效率达8%。 1958年太阳电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源。 1959年第一个多晶硅太阳电池问世，效率达5%。 1960年硅太阳电池首次实现并网运行。 1962年砷化镓太阳电池光电转换效率达13%。 1969年薄膜硫化镉太阳电池效率达8%。 1972年罗非斯基研制出紫光电池，效率达16%。 1972年美国宇航公司背场电池问世。 1973年砷化镓太阳电池效率达15%。
有机太阳能电池研究进展(1)
专题介绍 有机太阳能电池研究进展 X 林 鹏,张志峰,熊德平,张梦欣,王 丽 (北京交通大学光电子技术研究所,信息存储、显示与材料开放实验室,北京,100044) 摘 要:有机太阳能电池与无机太阳能电池相比,还存在许多关键性问题。为了改善有机太阳能电池的性能,各种研究工作正在进行,这些研究主要是为了寻找新的材料,优化器件结构。对电池原理、部分表征方法、效率损失机制、典型器件结构、最近的发展、以及未来的发展趋势作了简要描述。 关键词:有机太阳能电池;器件结构;给体;受体;转换效率 中图分类号:T N 383 文献标识码:A 文章编号:1005-488X(2004)01-0055-06 Progres s in Study of Organic Sola r Ce ll LIN Peng ,ZHANG Zhi -feng ,XIONG De -ping ,ZHANG Meng -xin ,WANG Li (I nstitute of O p toelectronics T echnology ,Beij ing J iaotong University ,Beijing ,100044,China )Abstr act :Compaer ed with inorganic solar cells ,organic solar cells still have many critical pr oblems.In order to improve the properties of organic solar cells,a lot of different studies have been carried on.T he main purposes of these studies are to seek new mater ials and new device structure.A brief review of the theory of photovoltaic cells,along with some aspects of their characterization ,the basic efficiency loss mechanism ,typical device structures ,and the trends in research will be presented. Key wor ds :organic photovoltaic cell;device structure;donor;acceptor ;conversion effi-ciency 前 言 进入21世纪以来,由于煤、石油、天然气等自然资源有限,已经不能满足人类发展的需要。环境污染也已经成为亟待解决的严重问题。同使用矿物燃料发电相比,太阳能发电有着不可比拟的优点。 太阳能取之不尽,太阳几分钟射向地球的能量相当 于人类一年所耗用的能量。太阳能的利用已经开始逐年增长。但目前使用的硅等太阳能电池材料,因成本太高,只能在一些特殊的场合如卫星供电、边远地区通信塔等使用。目前太阳能发电量只相当于全球总发电量的0.04%。要使太阳能发电得到大规模推广,就必须降低太阳能电池材料的成本,或 第24卷第1期2004年3月 光 电 子 技 术OPT OELECT RONIC T ECHNOLOGY Vol.24No.1 Mar.2004 X 收稿日期:2003-11-17 作者简介:林 鹏(1978-),男,硕士生。主要从事光电子技术研究。 张志峰(1977-),男,硕士生。主要从事有机电致发光(OLED)的研究工作。熊德平(1975-),男,硕士生。主要从事无机半导体材料方面的研究工作。
太阳能电池板原理(DOC)
随着全球能源日趋紧张，太阳能成为新型能源得到了大力的开发，其中我们在生活中使用最多的就是太阳能电池了。太阳能电池是以半导体材料为主，利用光电材料吸收光能后发生光电转换，使它产生电流，那么太阳能电池的工作原理是怎么样的呢？太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子—空穴对。这样，光能就以产生电子—空穴对的形式转变为电能。 一、太阳能电池的物理基础 当太阳光照射ｐ－ｎ结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了电子——空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向型区，空穴被驱向Ｐ型区，从而使凡区有过剩的电子，Ｐ区有过剩的空穴。于是，就在ｐ－ｎ结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。 如果半导体内存在P—N结，则在P型和N型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P—N结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。
制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。下面我们以硅太阳能电池为例，详细介绍太阳能电池的工作原理。 1、本征半导体 物质的导电性能决定于原子结构。导体一般为低价元素，它们的最外层电子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子，在外电场的作用下产生定向移动，形成电流。高价元素（如惰性气体）或高分子物质（如橡胶），它们的最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为自由电子，所以导电性极差，成为绝缘体。常用的半导体材料硅（Si）和锗（Ge）均为四价元素，它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚的那么紧，因而其导电性介于二者之间。 将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体，即为本征半导体。晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，相邻的原子形成共价键。
太阳能电池工作原理和应用
太阳能电池的分类简介 （1）硅太阳能电池 硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。 单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%（截止2011，为18%）。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降 低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅 薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代 产品。 多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低 廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转 换效率为18%，工业规模生产的转换效率为10%（截 止2011，为17%）。因此，多晶硅薄膜电池不久 将会在太阳能电池市场上占据主导地位。 非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。
2）多晶体薄膜电池 多晶体薄膜电池硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产 品。 砷化镓（GaAs）III-V化合物电池的转换效率 可达28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光学 带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热 不敏感，适合于制造高效单结电池。但是GaAs 材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了用 GaAs电池的普及。 （3）有机聚合物电池 以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本低等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。 （5）有机薄膜电池 有机薄膜太阳能电池，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。大家对有机太阳能电池不熟悉，这是情理中的事。如今量产的太阳能电池里，95%以上是硅基的，而剩下的不到5%也是由其它无机材料制成的 6）染料敏化电池 染料敏化太阳能电池，是将一种色素附着在TiO2粒子上，然后浸泡在一种电解液中。色素受到光的照射，生成自由电子和空穴。自由电子被TiO2吸收，从电极流出进入外电路，再经过用电器，流入电解液，最后回到色素。染料敏化太阳能电池的制造成本很低，这使它具有很强的竞争力。它的能量转换效率为12%左右。 （7）塑料电池 塑料太阳能电池以可循环使用的塑料薄膜为原料，能通过“卷对卷印刷”技术大规模生产，其成本低廉、环保。但塑料太阳能电池尚不成熟，预计在未来5年到10年，基于塑料等有机材料的太阳能电池制造技术将走向成熟并大规模投入使用。 太阳能工作原理 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳能发电有两种方式，一种是光一热一电转换方式，另一种是光一电直接转换方式。其中，光一电直接转换方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光一电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种大有前途的新型
太阳能电池工作原理与应用
太阳能电池工作原理及应用 摘要：太阳能电池又称为“太阳能芯片”或光电池，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。在物理学上称为太阳能光伏（Photovoltaic，photo光，voltaics伏特，缩写为PV），简称光伏。 当太阳光照射p-n结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了电子——空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向rt型区，空穴被驱向P型区，从而使rt区有过剩的 电子，P区有过剩的空穴。于是，就在p-n结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。关键词：太阳能；光伏发电；半导体；电池 太阳能电池的分类简介 太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池，其中硅太阳能电池是发展最成熟的，在应用中居主导地位 （1）硅太阳能电池 硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。 单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为%，规模生产时的效率为15%（截止2011，为18%）。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成 本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和 非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。 多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低 廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转 换效率为18%，工业规模生产的转换效率为10% （截止2011，为17%）。因此，多晶硅薄膜电池 不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。 非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换 效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受 制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。
有机太阳能电池的原理和应用
有机太阳能电池的原理和应用 一、结构和基本原理 目前的有机太阳能电池可以分为三类。 1.1 肖特基型有机太阳能电池 第一个有机光电转化器件是由Kearns 和Calvin在1958 年制备的，其主要材料为镁酞菁（MgPc）染料，染料层夹在两个功函数不同的电极之间。在这种有机半导体器件中，电子在光照下被从HOMO 能级激发到LUMO能级，产生一对电子和空穴。电子被低功函数的电极提取，空穴则被来自高功函数电极的电子填充，由此在光照下形成光电流。理论上，有机半导体膜与两个不同功函数的电极接触时，会形成不同的肖特基势垒。这是光致电荷能定向传递的基础。因而此种结构的电池通常被称为“肖特基型有机太阳能电池”。在这个器件上，他们观测到了200 mV的开路电压，光电转化效率很低。此后二十多年间，有机太阳能电池领域内创新不多，所有报道的器件之结构都类似于1958 年版，只不过是在两个功函数不同的电极之间换用各种有机半导体材料。由于肖特基型有机太阳能电池是单纯由一种纯有机化合物夹在两层金属电极之间制成的，因此效率比较低，现在已经被淘汰。 1.2 双层膜异质结型有机太阳能电池 在肖特基型有机太阳能电池的基础上，1986 年，行业内出现了一个里程碑式的突破。 实现这个突破的是柯达公司的邓青云博士。这个时代的有机太阳能电池所采用的有机材料主要还是具有高可见光吸收效率的有机染料。邓青云的器件之核心结构是由四羧基苝的一种衍生物（又称作PV）和铜酞菁（CuPc）组成的双层膜。这种太阳能电池又叫做p-n 异质结型有机太阳能电池。在双层膜结构中，p-型半导体材料（电子给体（Donor），以下简记为D）和n-型半导体材料（电子受体（Acceptor），以下简记为A）先后成膜附着在正负极上（下图）。D 层或者A 层受到光的激发生成激子，激子扩散到 D 层和 A 层界面处发生点电荷分离生成载流子，然后电子经A层传输到电极，空穴经D层传输到对应的电极。1992 年，土耳其人Sariciftci 在美国发现，激发态的电子能极快地从有机半导体分子注 入到C60 分子中，而反向的过程却要慢得多。也就是说，在有机半导体材料与C60 的界面上，激子可以以很高的速率实现电荷分离，而且分离之后的电荷不容易在界面上复合。这是由于C60的表面是一个很大的共轭结构，电子在由60个碳原子轨道组成的分子轨道上离域，可以对外来的电子起到稳定作用。因此C60 是一种良好的电子受体材料。1993 年，Sariciftci在此发现的基础上制成PPV/C60 双层膜异质结太阳能电池。PPV通常叫作“聚对苯乙烯撑”，是一种导电聚合物，也是一种典型的P 型有机半导体材料。此后，以C60 为电子受体的双层膜异质结型太阳能电池层出不穷。 1.3 混合异质结型有机太阳能电池 随后，研究人员在此类太阳能电池的基础上又提出了一个重要的概念：混合异质结（Bulk Heterojunction）。混合异质结概念主要针对光电转化过程中激子分离和载流子传输这两方面的限制。双层膜太阳能电池中，虽然两层膜的界面有较大的面积，但激子仍只能在界面区域分离，离界面较远处产生的激子往往还没移动到界面上就复合了。而且有机材料的载流子迁移率通常很低，在界面上分离出来的载流子在向电极运动的过程中大量损失。这两点限制了双层膜电池的光电转化效率。 而所谓“混合异质结”，就是将给体材料和受体材料混合起来，通过共蒸或者旋涂的方法制成一种混合薄膜。其给体和受体在混合膜里形成一个个单一组成的区域，在任何位置产生的激子都可以通过很短的路径到达给体与受体的界面（即结面），电荷分离的效率得到了提高。同时，在界面上形成的正负载流子亦可通过较短的途径到达电极，从而弥补载流子迁移率的不足。2008 年3 月，大阪大学和大阪市立研究所宣布，成功开发出了单元转换效率高达5.3％的有机固体太阳能电池。这一转换效率是通过采用纯度99.99999％以上的C60 结
2021年太阳能电池原理开题报告
太阳能电池原理开题报告 由于现在社会一直提倡环保节能，那些煤炭、石油、天然气等有污染的资源渐渐被太阳能所替代，每个国家都在尽力研究太阳能这一天然资源，所研究的程度和利用价值，成为了国家发展的代表。目前全世界共有136 个国家投入普及应用太阳能电池的热潮中,其中有95 个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制 ___,积极生产各种相关的节能新产品。多国家正在制订中 ___太阳能 ___计划,准备在21世纪大规模 ___太阳能，美国能源部推出的是国家光伏计划, ___推出的是阳光计划。我国对太阳能电池的研究 ___工作高度重视,早在七五期间,非晶硅半导体的研究工作已经列入国家重大课题;八五和九五期间,我国把研究 ___的重点放在大 ___太阳能电池等方面。 太阳能现如今被广大的社会所重视。目前,太阳能电池的应用已从军事领域、 ___领域进入工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、岛屿和农村使用，以节省造价很贵的输电线路。 现如今我们的生活已经离不开这一天然环保的能源，我将利用所学知识，对太阳能电池原理进行分析，使自己更加了解这一热门资源的基本原理、利用价值、发展情况等。这次项目对我的应用能力
也是一次检验和训练；同时可以提高自己实际分析问题和解决问题的能力；加强自己在高速发展的信息社会里的竞争能力。 通过去图书馆和网上查找关于太阳能方面的资料，主要关于太阳能的历史、基本原理、发展情况和现如今社会对太阳能的.的利用发范围等进行阅读，并对有关的重要材料进行研究、分析和归纳，根据自己对太阳能电池的理解和归纳进行进一步研究。 针对这次的题目，首先我将对太阳能的原理进行深入地分析，只有了解了其基本原理，才能让我进行下一步研究，我们太阳能电池的各部分的原理，以及太阳能 ___历史和前景。从以前少数国家 ___到受到全球人民 ___的这一演变过程，应用的范围等。 首先寻找重要资料，找到自己所需要的，利用一个月的时间，将大纲拟定出来，绕后围绕着自己的提纲进行撰写，大概需要两至三个月的时间，在四月中旬定稿，并且修补自己的不足，最终定稿。 光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电。光—电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能。薄膜式太阳能电池的原理等。
太阳能电池工作原理及应用
太阳能电池工作原理及应用 摘要:太阳能电池又称为“太阳能芯片”或光电池,就是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照到,瞬间就可输出电压及电流。在物理学上称为太阳能光伏(Phｏtov ｏltaic,photo光,ｖoltaicｓ伏特,缩写为PＶ),简称光伏。 当太阳光照射ｐ－n结时,在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子,相应地便产生了电子——空穴对,并在势垒电场的作用下,电子被驱向rt型区,空穴被驱向P型区,从而使rt区有过剩的 电子,P区有过剩的空穴。于就是,就在p-n结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。 关键词:太阳能;光伏发电;半导体;电池 太阳能电池的分类简介 太阳能电池根据所用材料的不同,太阳能电池还可分为:硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池,其中硅太阳能电池就是发展最成熟的,在应用中居主导地位 (１)硅太阳能电池 硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池与非晶硅薄膜太阳能电池三种。 单晶硅太阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24、7%,规模生产时的效率为15%(截止2011,为1８%)。在大规模应用与工业生产中仍占据主导地位,但由于单晶硅成本价格高,大幅度降低其 成本很困难,为了节省硅材料,发展了多晶硅薄膜 与非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。 多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较,成本低 廉,而效率高于非晶硅薄膜电池,其实验室最高转 换效率为１８%,工业规模生产的转换效率为1 ０%(截止20１1,为１７%)。因此,多晶硅薄膜电池 不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。 非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻,转换 效率较高,便于大规模生产,有极大的潜力。但受制 于其材料引发的光电效率衰退效应,稳定性不高,直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题,那么,非晶硅太阳能电池无疑就是太阳能电池的主要发展产品之一。 2)多晶体薄膜电池
太阳能电池的基本原理
太阳能电池的基本原理 光-电直接转化是目前将太阳能转化为电能的最佳途径,它是将太阳辐射的光能直接转化为电能,实现这种转化的装置称为太阳能电池。太阳能电池具有清洁性和灵活性等优点,它可大到百万千瓦的中型电站,也可小到只供一家之需的电池组,这是其他电源很难做到的。本文举例介绍两类太阳能电池的基本结构及原理：无机硅太阳能电池和有机聚合物双层异质结太阳能电池。 一、硅太阳能电池 硅太阳能电池的基本结构如图1所示，它的核心结构是N型硅/P型硅构成的活性层。通过特殊工艺向硅晶体中掺入少量的三价硼(一般107个原子·cm-3～1019个原子·cm-3)就可以构成P(positive)型硅。未掺杂的硅晶体中，每个硅原子通过共价键与周围4个硅原子相连。掺入少量硼后，硼原子取代某些硅原子的位置，并且在这些硅原子的位置上也与周围4个硅原子形成共价键。因为硼原子只有3个价电子，与周围4个硅原子成键时缺少1个电子，它需要从硅晶体中获取1个电子才能形成稳定结构。结果，硼原子变成负离子，硅晶体中形成空穴(空穴带一个单位的正电荷)。如果向硅晶体中掺入少量五价磷或者砷就构成了N(negative)型硅，例如掺入磷(107个原子·cm-3～1019个原子·cm-3)。掺入的磷原子同样取代硅原子的位置，并与周围的4个硅原子形成共价键。因为磷原子有5个价电子，成键后剩下1个价电子，这个电子受到的束缚力比共价键上的电子小得多，很容易脱离磷原子，成为自由电子，结果该磷原子成为正离子。需要说明的是，P型和N型硅都是电中性的。 当把P型硅与N型硅通过一定方式结合在一起时，发生如图2所示的PN结形成过程。在N区(N型硅一侧)与P区(P型硅一侧)的交界面附近，N区的自由电子较多空穴较少，P区则是空穴较多自由电子较少，这样在P区和N区之间出现空穴和自由电子的浓度差。浓度差导致空穴从P区向N区扩散，自由电子从N区向P区扩散，二者在界面附近复合。P区界面附近带正电荷的空穴离开后，留下带负电荷的硼，因此形成1个负电荷区。同理，在N区界面附近出现1个正电荷区。通常把交界面附近的这种正、负电荷区域叫做空间电荷区。空间电荷区中的正、负电荷产生1个由N区指向P区的内建电场。在内建电场的作用下，空穴和电子发生漂移，方向与它们各自的扩散方向相反，即电子从P区漂移到N 区，空穴从N区漂移到P区。显然，内建电场同时又起着阻碍电子和空穴继续扩散的作用。随着扩散的进行，空间电荷逐渐增多，内建电场逐渐增强，空穴和电子的漂移也逐渐增强，但空穴和电子的扩散却逐渐变弱。无外界影响时，空穴和电子的扩散和漂移最终达到动态平衡。此时，空间电荷的数量一定，空间电荷区不再扩展，内建电场的大小就确定下来。 当具有一定能量的光子入射到PN结表面时，光子在硅表面及体内激发产生大量的电子-空穴对。由于入射光的强度因材料的吸收而不断衰减，因而沿着光照方向，材料内部电子-空穴对的浓度逐渐降低，这导致电子–空穴对向内部扩散。当电子-空穴对扩散到PN结边界时，在内建电场的作用下，空穴、电子被分别
浅析无机材料在有机太阳能电池中的应用
浅析无机材料在有机太阳能电池中的应用 发表时间：2018-11-19T17:32:32.533Z 来源：《中国经济社会论坛》学术版2018年第1期作者：吴涛熊磊梁溪凯徐龙 [导读] 现阶段伴随着我国科技水平的不断快速发展，我国的无机材料在有机太阳能电池中的应用范围越来越广泛，其中无机材料的迁移效率比较高，光谱效应和太阳能光谱相匹配，而相对于有机材料来说价格便宜，合成方法较简单。 吴涛熊磊梁溪凯徐龙 湖南工业大学冶金学院湖南省株洲市 412007 摘要：现阶段伴随着我国科技水平的不断快速发展，我国的无机材料在有机太阳能电池中的应用范围越来越广泛，其中无机材料的迁移效率比较高，光谱效应和太阳能光谱相匹配，而相对于有机材料来说价格便宜，合成方法较简单。就目前情况来看，无机材料的迁移效率较差，所以导致光电转换效率比较低，并且阻碍了有机太阳能电池的应用。假使能够将无机材料和有机材料相融合在一起，可以大大的提高太阳能电池的光电转换效率。本文主要阐述了无机材料和有机太阳能电池的概述与优点分析，无机材料在OSCs中的应用原理以及目前无机材料在有机太阳能电池中的应用。 关键词：无机材料；有机材料；有机太阳能；效率；电池；应用 一、无机材料和有机太阳能电池的概述与优点分析 无机材料就是指由无机物单独或者是和混合其他物质制成的材料，通常其中包括硅酸盐和铝酸盐以及硼酸盐等原料经一定的工艺制备而成的材料。无机材料的优点具有技术含量高、产品更新换代快以及经济效益明显的特点。 有机太阳能电池就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。主要是以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，并且用光伏效应产生的电压而形成电流，才能够实现太阳能发电的效果。有机太阳能的优点具有价格便宜，有机高分子半导体材料的合成工艺比较简单。比如说酞菁类染料已经实现了工业化的生产，所以它的成本低。还有就是有机太阳能电池可以降解，从而减少对环境的污染。 二、无机材料在OSCs中的应用原理 现如今无机材料在OSCs中的原理是利用有机材料产生的光伏特效应，从而实现的光电能量之间的转化。以下就是无机材料在OSCs中的应用原理过程：先是通过光照射到0SCs上，其中具有能量大于有机材料的光子后被激活，并且产生激子，进而激子在浓度梯度的作用下扩散到异质结处，此时在界面形成孪生的电子空穴；再是由于激子不能够自动解离，所以需要工种不同的最高己占轨道和最低未占轨道的材料相连接，才能够结合到受体LUMO的能极差值作用下分解成自由移动的电子和空穴，那就是电载流子；最后是通过阴阳两极之间的作用存在着功函差，使得电子和空穴在内部的电场作用下产生电流。 三、目前无机材料在有机太阳能电池中的应用 1.无机材料在太阳能电池中阴极缓冲材料的应用。有机太阳能电池器件是稳定性一般的产品，如何提高稳定性就要在阴极与有机层之间添加一层缓冲的材料，这种材料必须使得有机层与电极间接触良好，又不得增加接触的电阻，而且有机层也不能够受到破坏。比如说化合物LiF 常用在电致发光中，但它也可以用于OSCs。何况TiO 2不仅在OSCs 中作为受体，还可以作为阴极缓冲层，阻挡空穴流向阴极，保护了有机层。 2.无机材料在太阳能电池中阳极缓冲材料的应用。有机太阳能电池发光器中的金属氧化物空穴材料在OSCs 中可以作为阳极修饰层，比如说NiO 和WO 3都可以作为阳极修饰层。何况金属氧化物的厚度对于有机太阳能电池器件有明显的影响作用，可以用MoO 3做阳极的修饰层，有机太阳能电池能够在红外区的光吸收能量。从而采取WO 3做阳极修饰，有机太阳能电池器件的效率可以达到 3.1%，主要原因是由于降低了有机太阳能器件中载流子的复合几率。其中NiO 做阳极修饰层，可以有效的调节活性层能级，阳极更容易接纳空穴，从而使得效率不断的提高。过渡金属氧化物与阳极形成良好的能级匹配，有效的阻止了有机层和电极发生电化学反应，进而有利于载流子收集大幅度提高，所以才能够使的有机太阳能电池器件的稳定性提高。 3. 无机材料在太阳能电池中活性层的应用。无机材料在太阳能电池中活性层的应用主要包括铬化合物、硅和低能的纳米粒子以及金属氧化物这四部分构成。 铬化合是指人们常用到的无机受体材料CdS 和CdTe等，铬化合物应用在有机太阳能电池OCSCs 中，首先报道了球形CdSe 与MEH-PPV 结合的有机太阳能电池器件。但是球形粒子表面的绝缘层限制了电荷传输。Huynh 制作了氧化铟锡/聚3-乙基噻吩：CdSe/Al 的有机太阳能电池器件。所以使得纳米棒状CdSe 电子传输有效的提高。 硅是由纳米硅材料制成，具有无毒和对光强吸收以及电子迁移率高的活性层应用。硅不仅可以用作受体材料与有机材料结合制备成了有机太阳能电池，还可以利用蚀刻法形成的硅纳米线阵列可以增加OSCs 在可见和近红外的吸收，从而增大迁移效率。我们可以将硅作为受体串联到有机太阳能电池器件中，能够使得内部电场增大，可以使得电子和空穴转移更加容易，这就充分解决了传输的问题。 低能的纳米粒子主要是为了提高有机太阳能电池的能量转换效率。才能够将波长带隙窄的无机受体与有机受体相融合起来。其中Cui 等制作的有机太阳能电池器件吸收在可见光和近红外区域内。在Tan 改进之后，，不仅减少了活性区载流子的复合数量，并且也保证了光吸收。 金属氧化物其中有TiO 2，它化学稳定性高，可见光区透光良好，有金红石、板钛矿和锐钛矿三种晶型。金红石型TiO 2在热力学上稳定性是最高的，而且光散射性优异。锐钛矿型TiO 2带隙较宽，而且导带能级较高。锐钛矿型TiO 2因为有较高的电子迁移效率，而且在有机太阳能中应用广泛。有一种ZnO 的能级结构和锐钛矿型TiO 2基本相同，也是n 型半导体。ZnO 的缺点是化学稳定性不好，在酸碱环境中都不能稳定很长时间，比较易溶解。 四、结束语 由上可知，目前的无机材料和有机材料能够相融合在一起，他们可以各自发挥各自的优点，但也弥补了材料组成的太阳能电池不足，所以对有机太阳能电池器件有很大的帮助。有机材料的结合，不仅价格便宜，而且工艺简单，并且具有很好的稳定性，可以大大的提高了有机太阳能电池的迁移效率，同时光吸收和太阳能光谱更加匹配。至于有机太阳能电池是否能够实现产业化和居民化，这些都和有机太阳能电池的应用发展有着密切的关联。因为正是有机太阳能电池的这些明显优点——轻快，便宜，原材料容易得，并且可以大面积的制备，用来满足实现产业化、居民化的条件。因此，我们攻克了有机太阳能电池能量转换效率问题，世界的能源界必将迎来有机太阳能电池的时
太阳能电池的分类及其工作原理
1 硅系太阳能电池 1.1 单晶硅太阳能电池 硅系列太阳能电池中，单晶硅大阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅的电地工艺己近成熟，在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。在此方面，德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构。并在表面把一13nm。厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合．通过改 进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率：通过以上制得的电池转化效率超过23%，是大值可达23．3％。Kyocera公司制备的大面 积（225cm2）单电晶太阳能电池转换效率为19．44%，国内北京太阳能研究所也积极进行高效晶体硅太阳能电池的研究和开发，研制的平面高效单晶硅电池（2cm X 2cm）转换效率达到19.79%，刻槽埋栅电极晶体硅电池（5cm X 5cm）转换效率达8.6%。 单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，
现在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。 1．2 多晶硅薄膜太阳能电池 通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350－450μm的高质量硅片 上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，人们从70年代中期就开始在廉价衬 底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的硅膜晶粒大小，未能制成有价值的太阳能电池。为了获得大尺寸晶粒的薄膜，人们一直没有停止过研究，并提出了很多方法。目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD）和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺。此外，液相外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用来 制备多晶硅薄膜电池。 化学气相沉积主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4,为反 应气体,在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用Si、SiO2、Si3N4等。但研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒,并且容易在晶粒间形成空隙。解决这一问题办 法是先用 LPCVD在衬底上沉炽一层较薄的非晶硅层，再将这层非晶 硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，目前采用的技术主