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新材料迅猛发展的有机-无机杂化光伏电池材料

   日期:2018-05-22     浏览:448    评论:0    
核心提示:太阳能光伏电池是将太阳能直接转化为电能的半导体设备,目前已得到广泛的应用。目前市售的多数太阳能光伏电池为无机半导体电池,其制备材料为单晶硅、多晶硅和碲化镉等。相比无机光伏材料,有机光伏材料由于具有灵活性强、轻便、易加工和成本低等一系列优点,而备受关注。但有机太阳能电池在效率和稳定性方面仍较无机电池存在不小的差距。
 太阳能光伏电池是将太阳能直接转化为电能的半导体设备,目前已得到广泛的应用。目前市售的多数太阳能光伏电池为无机半导体电池,其制备材料为单晶硅、多晶硅和碲化镉等。相比无机光伏材料,有机光伏材料由于具有灵活性强、轻便、易加工和成本低等一系列优点,而备受关注。但有机太阳能电池在效率和稳定性方面仍较无机电池存在不小的差距。

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  鉴于无机和有机太阳能电池均存在一定的不足之处,近年来有机-无机杂化电池得到了迅猛的发展。该类电池通过将有机和无机材料相结合,形成优势互补,在电池性能方面具有长足的进步。本文简单介绍了几种主要的有机光伏电池材料,包括对亚苯基乙烯(PPV)类材料、吡咯并吡咯二酮(DPP)类材料、聚噻吩(PT)类材料。
 
 
PPV类光伏材料
 
 
  PPV 类光伏材料即聚对苯基乙烯衍生物材料,是应用较广的一类有机光伏电池材料,其具有较好的发光特性和光伏特性。在光伏电池方面的应用,主要是采用烷基侧链取代的PPV类材料,其中以聚2-甲氧基-5-(2-乙基-己氧基)对苯乙烯(MEH-PPV)和聚[2-甲氧基,5-(3′,7′二甲基-辛氧基)]-对苯撑乙撑(MDMO-PPV)两类材料最具代表性,两者均为太阳能给体材料。将MEH-PPV 和MD-MO-PPV 两类材料给体与不同晶体的受体材料相结合,成为探索制备新的有机光伏电池材料的研究重点。
 
  太阳能光伏受体材料包括n-型共轭聚合物、CdSe和富勒烯衍生物材料等,其中富勒烯衍生物类材料(主要为PC61BM 和PC71BM)较为常见,并且具有诸多良好的光伏性能,但其昂贵的价格也是制约其应用的主要因素。而非富勒烯受体拥有性能稳定、无污染、自然界中分布广泛、可获得性强等优势。虽然近两年来PPV类光伏材料的研究具有一定的突破,但总体上PPV类光伏材料的电池效率仍较低,需进一步深入研究。
 

DPP类光伏材料
 
 
  DPP类材料是目前较为成熟的用于制备光伏电池的材料之一,具有较高的空穴迁移率和电荷载体迁移率,表现出较好的电池性能。有相关文献报道,DPP类聚合物光伏电池的电转化率最高可达8.08%。近两年,多数研究集中在如何改变DPP类材料分子结构或将DPP与受体进行不同比例共混,得到最优组合,从而探索制备高性能的DPP光伏电池。
 
  改进DPP光伏电池的方法之一是寻找能隙较低的给体,与DPP受体相结合用于提高电池效率;有研究者合成了基于DPP受体的给体-受体共聚物中性短链DPP(Bi-DPP),即两个DPP基团分列两边,中间由中性小分子基团连接,例如,DPP分别位于苯环的对位。研究发现,Bi-DPP在可见光波段具有较好的吸收,能隙较低(1.52~1.81eV),可与PC71BM 共混应用于光伏电池。在共轭聚合物上采用取代烷基增溶侧链,可以改变聚合物的性质,增加其光伏特性。同时他们进一步改进了Bi-DPP 结构,通过化学偶联反应,在两个DPP基团分别对接其它化学结构,形成小分子中性短链(SM-Bi-DPP)共聚物,进一步提升了材料的性能。
 
 
PT类光伏材料
 
 
  PT材料是有机光伏电池中应用最为广泛的材料之一,可用于电致变色、光电传感器和发光二极管等多个领域。PT材料的制备经历了无取代基的聚噻吩、带有直链烷基的聚噻吩和带有支链烷基的聚噻吩等几个阶段,目前优选的性能良好,具有较强的应用前景、有代表的材料为3-己基取代聚噻吩(PH3T)材料。
 
  近年来,关于PH3T的研究主要包括两个方面。一方面是采用物理方法改变PH3T材料及电池结构,从而提高其性能。如有研究者利用离子辐照的方法改变PH3T聚合物的分子排序,从而改进了其结晶度,提高了能量转化效率。而另有研究者对以P3HT为给体,PC71BM 为受体的电池材料进行了多热处理,缩短了P3HT与PC71BM 之间的面间距,使空穴迁移率达到8.8×10-5c m2/Vs,电子迁移率达到2.5×10-3c m2/Vs,电转化率达到4.39%。因此,采用物理方法可以达到改PH3T材料晶体结构和PH3T电池性能的目的,可视为是一种简单易行的方法。另外,筛选不同受体与PH3T给体共混,寻求电池性能最优化也是最近的研究热点。
 
标签: 太阳能 电池
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