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有机薄膜太阳能电池的结构与制作技术

发布时间: 2022-09-19 04:33:37 来源:火狐体育球赛全站 作者:火狐体育安全下载

  作为典型可再生能源的太阳能光伏发电,近年来,面向各个产业及至人民的生活、住宅,正急速的推广应用。但目前的单晶硅太阳电池,难于大幅度降低成本。单晶硅太阳电池的原料硅占到制造成本的30%以上。因此,对原料不依赖于单晶硅的非晶硅系列太阳电池进行了开发。紧随非晶硅系列太阳能电池之后的有机太阳能电池,其原料丰富,且价格相对较低,并采用了基本廉价的非真空加工工艺,故这类结构的太阳能电池是人们所期待的。

  有机太阳能电池,有利用光电化学的色素增感型太阳能电池,和藉助有机EL逆过程实现光电变换的有机薄膜型太阳能电池两种。本文主要介绍有机薄膜型太阳能电池的开发。并阐述了其有关的发电原理和安装中的关键技术。

  图1所示为有机薄膜型太阳能电池(OTFSC)的断面。OTFSC主要由承担基本光吸收与空穴输送的π-共轭高分子和承担电子输送的低分子受体分子所构成。基底上涂覆了能使透明电极平滑化并承担空穴输送的空穴输送材料(PEDOT-PSS),以及π共轭高分子(P3HT)和电子受体分子(C61-PCBM)的混合液。当这一混合液的溶剂挥发时,相当于p型半导体的π共轭高分子,与相当于n型半导体的电子受体分子(低分子化合物)混合,构建成这一混合物的相分离,形成所谓整块异质结相分离的随机结合界面。电介质薄膜可补偿整块异质结薄膜上的整流性,电介质薄膜设置的极薄,并设置了铝质的里面电极,这样,电池就已完成。高分子系有机薄膜太阳能电池的最大特点是:相当于p型半导体的π共轭高分子与相当于n型半导体的电子受体分子混合,藉助这一混合物的相分离,构建了接合界面的整块异质结。引入这一相分离结构,是因为有机薄膜太阳能电池经过了激励子(exciter)的扩散。OTFSC首先是由π共轭高分子或者电子受体分子的光吸收,产生激励子。然后,p型或n型激励子,在具有整块异质结结构的薄膜内部扩散。在接合界面上,与相互不同的分子会合时,开始电荷分离,能生成空穴与电子。由于有机半导体的电荷在分子内的局部化,为了使基于光吸收所生成的电荷增加,必须在激励子可能扩散的范围内设置p-n接合界面。从而,不是二元的平面接合,在薄膜内部构建微细的相分离,因此,藉增大接合界面面积的整块异质结结构,可大幅度提高效率。

  空穴与电子一旦生成,空穴在π共轭高分子的分子间,电子在电子受体分子的分子间各自输送,从电极取出。有机分子的电荷输送,基于扩散或分子间的跳跃(hopping)传导,但高分子系OTFSC的电荷输送机理尚未充分理解。对电荷输送必须的自生电场(固有电位)产生来源及其电场强度优化,今后应予以考虑。

  决定OTFSC性能的参数:短路电流密度、开路电压、填充因子(曲线因子)等都起着重要作用,现将改进的事例分述如下。

  为提高短路电流密度,进行了下面几项开发:(1)光吸收范围扩大(提高吸收强度,力求吸收光波的长波化);(2)电荷输送的改善;(3)增大p-n结界面的接合面积;(4)促进电荷的生成等。这些改善为了充分发挥OTFSC的特点。

  有机薄膜太阳能电池,以polythiophene系、poly-p-phenylene-vinylene系、polyfluorene系等材料为基础进行了研究。即使带隙接近2ev,长波侧的光吸收也非常少,如旨在得到光吸收能量整体的积分值,增大整体异质结结构的膜厚度是较好的。激励子扩散长度因被限制在50nm左右,故单纯的增大膜厚是有限的。在这样一种背景下,对长波区可以光吸收的图2所示窄带隙聚合物进行了开发。

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