聚合物太阳能电池综述

文献综述聚合物太阳能电池一、前言能源问题和环境问题一直是人类关注的重点。第一次工业革命以来，随着煤、石油等化石燃料的大规模应用，环境问题也日趋严重。在不可再生的化石燃料逐渐减少的今天，寻找更清洁环保的能源已是迫在眉睫。太阳能以其清洁环保、储量丰富的特点可以很好地解决这些问题，而太阳能电池的研发与应用是关键的一点。无机太阳能电池经过几十年的发展已经很成熟了，能量转换效率大约达到了10%~20%。然而，无机半导体电池也存在着一些缺点，比如：制备成本较高、制备能耗较大、工艺复杂[1]。近年来，有机聚合物太阳能电池（PSC）开始受到关注，它具有很多优点：提高光谱吸收能力的途径有很多，提高物质载流子的传输能力并扩展光谱的吸收范围；容易加工，成膜性好；物理改性比较容易；工艺简单。这也说明了有机聚合物太阳能电池拥有光明的应用前景和发展空间。二、聚合物太阳能电池简介共轭聚合物太阳能电池是一种新型有机薄膜太阳能电池，它由共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受体的共混薄膜活性层夹在ITO透明导电玻璃正极和低功函数金属负极之间所组成。下图图1-1是聚合物电池的结构示意图[2]。ITO（氧化铟锡）作为电池的透光正极，金属Al、Ca等其他金属作为电池负极，正极和负极之间有一层共混膜，厚度约100-200nm，是由给体和受体材料组成的活性层。聚合物PEDOT:PSS是一层修饰层，厚度约50nm，可以改善ITO电极的功涵和界面性质。当光透过ITO电极照射到聚合物活性层上时，活性层中的给体材料吸收光子产生激子。激子随后迁移到聚合物受体/给体的界面上，其中的电子就转移到受体材料的LUMO能级上，空穴则在给体材料的HOMO能级上，光生电荷实现分离。在电池势场作用下，被分离的空穴会沿着共聚物给体形成的通道传输到正极，而电子沿着受体传输至负极。空穴和电子分别传达到正极和负极后，就形成了光电流和光电压，这就是聚合物太阳能电池所产生的光生伏打效应。大体的光伏过程为：1．光的吸收；2．产生激子；3．激子发生迁移；4．激子的解离；5．载流子分开、迁移及收集。三、窄带隙共轭聚合物如何提高其光电转换率是目前研究的关键课题。制备窄带隙聚合物是解决转换效率低的一种方法。聚合物能带隙就是聚合物中HOMO能级与LUMO能级的能级差。一般来讲，窄带隙聚合物的能带隙小于2.0eV，它可以吸收的光的波长大于等于620nm。研究发现，D-A型窄带隙共轭聚合物能够有效提高能量转换效率，这种聚合物由给体单元（D）和受体单元（A）组成。改变其给体和受体单元，可以改变它的HOMO和LUMO能级，以降低带隙，提高光电性能。D-A共聚物中因给体单元和受体单元的推拉电子作用，使得聚合物的带隙变窄，从而极大地拓宽了聚合物的吸收光谱。并且人们可以通过将不同的给体单元与不同的受体单元进行排列组合，可以在较大的范围内精细地调控聚合物的吸收光谱[3]。四、D-A共聚物设计要求影响电池的能量转换效率（PCE）的因素有很多，比如光吸收区的吸收强度、电荷迁移速度、能带隙宽度和活性层的形貌特征等。1.光吸收：在聚合物太阳能电池的激活区域，要有较强的光吸收。聚合物给体的带隙一般比较大，吸收光谱和太阳辐射光谱并不能较好匹配。我们需要聚合物在可见-近红外区有宽的、强的吸收，这是提高PCE的重点。在设计聚合物的过程中，在支链上添加基团可以提高光子的吸收，共轭支链上添加上助色团，推、拉电子的基团，促使吸收向可见-近红外区偏移[4]。2.电荷传输：电荷迁移率是影响电池能量转换效率（PCE）的重要因素。在设计D-A窄带系共轭聚合物太阳能电池的时候，需要材料的电荷迁移率尽可能的大。如受体单元（A）异靛蓝的空穴迁移率，达到了3.62cm2/Vs，电子迁移率也有1cm2/Vs。相对而言，用作光伏器件材料效果会比较的好。化合物本身结构对电荷迁移率有着重要影响。结构的规律性越好，形成长程有序结构的能力就越好，电荷迁移率便会随之而增大。所以应该选用结构规律性好的化合物来作为聚合物的单体。3.分子能级：聚合物能带隙的大小直接影响着电池的光伏性能，它决定着吸收光谱的范围和吸收强度，所以HOMO能级和LUMO能级的大小需要特别关注。用循环伏安法(CV)测定共聚物的起始氧化电势和它的起始还原电势，用起始氧化电势、起始还原电势能够计算得出HOMO和LUMO能级值。想要提高材料的HOMO能级可以考虑在共轭链上添加推电子取代基团，以增强给电子能力。同时在推电子取代基团提高HOMO能级的时侯，也会提高LUMO能级；而吸电子取代基团降低LUMO能级的同时，也会降低HOMO能级[5]。所以在设计共聚物材料时，要综合考虑推电子基团和吸电子基团的影响，寻找到恰当的方法，使共聚物的能量转换效率达到最大。4.活性层形貌：活性层形貌同样对聚合物太阳能电池有着巨大的影响。电荷传输受到给体单元和受体单元所形成的微观结构的影响。活性层均匀、连续的互穿网络的纳米结构对电池性能的提升效果显著，它的电荷传输能力较强，Jsc明显提高。在活性层中加入添加剂，进行退火等处理有助于得到网络纳米结构，这是聚合物太阳能电池优化的一个重要方法[6]。五、结论尽管这类太阳能电池仍存在着能量转换效率（PCE）不够高的缺点，最高的只有8%左右，与无机太阳能电池间还存在较大差距，但D-A共聚物的巨大优势和潜力，吸引了越来越多的人开发新型的窄带隙共轭聚合物，并使得有机太阳电池材料得到蓬勃发展。近几年，不断有高效率的新型窄带隙聚合物被设计、合成并报道出来，使其应用呈现出光明的前景。参考文献[1]王福芝，谭占鳌.基于交联型窄带隙D—A共聚物的高效平面一本体异质结聚合物太阳电池[J].[2]欧阳平.聚合物太阳能电池的研究[D].北京交通大学.2007,12,1,1-20[3]MoritaS，Zakhidov，YoshinoK．DopingeffectofBuckminsterfullereneinconductingpolymer：changeofabsorptionspectrumandquenchingofluminescence[J].SolidStateCommunications，1992，82(4)：250—252．[4]AmbCM，ChenS，GrahamKR，eta1．DithienogermoleasafusedelectrondonorinbulkheterojunctionsolarceHs[J]．2011，133(26)：10062—10065．[5]王坤.基于新型受体单元的D-A共聚物的合成和光伏性能[D].东北师范大学,2013.[6]T．Mikyana，H．Matsuoka,M．Ara，etal．SolarEnergyMaterials&SolarCells，2001，65：133.