有机高分子_无机半导体杂化太阳能电池的发展现状与展望_张会京

第24卷第11期2012年11月

化学进展

PROGRESSINCHEMISTRY

Vol．24No．11Nov．2012

有机高分子/无机半导体杂化太阳能电池的

发展现状与展望

张会京

侯

信

*

（天津大学材料科学与工程学院

摘

要

天津300072）

有机高分子/无机半导体杂化太阳能电池是一类以共轭聚合物和无机半导体材料的复合材料

为主要原料制备的太阳能电池。本文详细论述了杂化太阳能电池的工作原理，并根据其工作原理分析了影包括给体材料的选择、异质结形态、光敏层厚度、无机半导体的选择与表响杂化太阳能电池效率的影响因素，

面改性及电池的退火处理等，并从各个影响因素的角度对杂化太阳能电池的发展进行了讨论，最后从共轭聚合物的角度对杂化太阳能电池的发展做出了展望，指出想要进一步提高杂化太阳能电池的效率，未来应该在对已知共轭聚合物进行改性或合成新的共轭聚合物上投入更多的精力．

关键词

杂化太阳能电池

共轭聚合物

无机半导体

异质结

281X（2012）11-2106-10文章编号：1005-中图分类号：O649.2；TM914.4；O631.2

文献标识码：A

DevelopmentofOrganicPolymer/InorganicSemiconductor

HybridSolarCells

ZhangHuijing

HouXin*

（CollegeofMaterialsScienceandEngineering，TianjinUniversity，Tianjin300072，China）Abstract

Organicpolymer/inorganicsemiconductorhybridsolarcellisakindofsolarcellwhichwas

preparedbyacompositeoforganicconjugatedpolymerandinorganicsemiconductorasthemainrawmaterial．Theworkingmechanismoforganicpolymer/inorganicsemiconductorhybridsolarcellwasintroducedinthispaper．Theinfluencingfactorsonthepowerconversionefficiency（PCE）ofthehybridsolarcell，suchasthechoiceoftheconjugatedpolymer，themorphologyofheterojunction，thethicknessofthephotosensitivelayer，thechoiceoftheinorganicsemiconductoranditsmodification，andannealingofthecell，arereviewedindetail．Atlast，theprospectofhybridsolarcellisalsopresented，moreattentionshouldbefocusedonthemodificationofavailableconjugatedpolymerorthesynthesisofnewconjugatedpolymerstoimprovethepowerconversionefficiency（PCE）ofthehybridsolarcellinthefuture．

Keywords

hybridsolarcell；conjugatedpolymer；inorganicsemiconductor；heterojunction；

3.23.33.43.54

Morphologyofheterojunction

Choiceofinorganicsemiconductorsandtheirmodification

ThicknessofphotosensitivelayerAnnealingofhybridsolarcellsOutlook

Contents

1233.1

Introduction

WorkingprincipleofhybridsolarcellsDevelopmentofhybridsolarcellsChoiceofconjugatedpolymers

收稿：2012年4月，收修改稿：2012年5月*Correspondingauthor

e-mail：houxin@tju．edu．cn

1引言

能源，是人类工业社会发展的最直接动力，是科

其中共轭聚合物作为电子给体材料，无机半导体池，

作为电子受体材料。共轭聚合物主要包括聚噻吩（PT）衍生物和聚苯撑乙烯（PPV）衍生物，无机半导ZnO、CdSe或CdS。起初，体大多为TiO2、杂化太阳

－1－3

一般都在10%—10%，能电池的效率都很低，

学技术实现其价值的最基本保障。煤炭、石油和天最广泛的能源，约占人类然气是目前人类应用最多、

能源消耗总量的80%，它们都是经过几百万年甚至上亿年的化学变化形成的化石能源，故很难再生。从第二次工业革命到如今，这些能源被大量采掘和而且采掘和消耗速度一直呈上升趋势。据英消耗，

国BP石油公司2006年报道，按照当前的速度，煤炭还能开采和利用大约150年，天然气60年，而石油仅仅只有40年就将消耗殆尽

［1］

近些年纳米技术的不断发展，纳米级的无机半导体粒子与共轭聚合物间形成的体相异质结（bulkheterojunction）结构显著提高了激子的分离效率，大大降低了载流子结合的概率，为太阳能电池效率的提高做出了巨贡献。此外，单壁或多壁的CNTs也开始逐步引入到杂化太阳能电池中，为杂化太阳能电池效率的提高提出了新的可能性。新的给体材料新的无机半导体的不断合成以及各种改不断出现、

性方法的相继涌现都在推动着杂化太阳能电池效率的不断提高。

笔者通过阅读大量相关文献，发现虽然无机半导体纳米材料被做成各种形状（纳米粒子、纳米线、纳米棒、纳米管及纳米四角体）和分布形态（在有机高分子材料中随机分布，与衬底材料垂直分布），与但效高分子材料复合制备了大量杂化太阳能电池，率一般都低于3%。Xu和Zhou两人的综述中列举了很多近些年来制备的有代表性的杂化太阳能电池及它们的各个参数

［5，6］

。太阳能，目前被

公认为是取之不尽用之不竭的能源，并且不对环境构成威胁。20世纪70年代和90年代相继爆发的使人们开始着手对太阳能进行研究，因石油危机，

太阳能电池的研究开始快速发展。此，

太阳能电池的发展总共经历了三代：第一代以是一种p-n结太阳能电池；单晶硅太阳能电池为主，

第二代是以多晶硅、非晶硅及硅基薄膜为基础的太降低了以单晶硅为核心的太阳能电池的阳能电池，

成本；第三代则是有机太阳能电池。第一代和第二代的太阳能电池目前占领了太阳能电池市场的90%左右，最高效率已经达到37.19%

［2］

。但这些。我们认为，今后杂化太阳

无机半导体太阳能电池的加工成本太高，工艺路线难以大面积生产，能耗高，故其成本较第三代复杂，

太阳能电池高很多。第三代太阳能电池质量轻、可弯曲，容易进行大面积生产，使其近些年来受到了越来越多科研工作者的青睐，发展十分迅速。聚合物太阳能电池是有机太阳能电池中重要的一种，它以共轭聚合物和富勒烯衍生物（如PCBM）为核心，共轭聚合物作为电子给体（donor）材料，富勒烯衍生物为电子受体（acceptor）材料，目前，此类太阳能电池

［3］

的效率最高已能达到6.7%。但由于共轭聚合物

能电池的效率若想取得突破性提高，更高程度上还需依赖对已知共轭高分子材料进行改性或合成新高效的共轭高分子材料，而不是靠合成或改性无型、

机半导体材料，所以，笔者从有机共轭聚合物材料的在此基角度对杂化太阳能电池的发展进行了综述，础上对杂化太阳能电池的发展进行了展望。

2杂化太阳能电池的工作原理

传统的无机半导体太阳能电池的工作原理是光

伏特效应，杂化太阳能电池的工作原理与有机聚合物太阳能电池的工作原理相似，都基于光诱导效应，二者不同之处在于，杂化太阳能电池用无机半导体作为电子受体，而聚合物太阳能电池则多以富勒烯类衍生物为电子受体。杂化太阳能电池的工作过程一般可分为以下几步：光的吸收、激子的产生、激子向异质结迁移、激子的分离及电流形成过程。当太阳光照射到电池表面时，能量大于共轭聚合物禁带能的光子将激发聚合物最高占有轨道（HOMO）上的电子跃迁到其最低未占有轨道（LUMO）上，因而HOMO轨道上将产生与激发电子数目相同的空穴，从而形成电子-空穴对，即激子，激子不断向共轭聚

内部存在着大量的电子陷阱，致使其电子迁移率（ …… 此处隐藏：22251字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……