窄带隙聚合物太阳能电池用苯并二噻吩单元的设计制备(2)
2.6.2 实验分析与讨论 17
结 论 19
致 谢 20
参 考 文 献 21
1 引言
目前，三大化石燃料作为主要能源消耗，由其引发的全球能源危机和环境污染问题日益严重。当前的能源生产、消耗使用方式是不可持续的，能源问题业已成为遏制各国经济发展的首要难题之一。新能源的技术开发和应用已日益受到重视。太阳能作为最理想的可再生能源，是一种取之不尽、用之不竭的无污染绿色能源。如何将太阳能转换为电能或热能造福于人类一直是科学家的努力探索目标。1954年贝尔实验室Chapin等人[1]制作了光电转化效率达6％的太阳能电池，标志着商业化太阳能电池研究的开始。20世纪70年代，半导体硅太阳能的光电转化效率已提高到15％～20％。目前商业化的太阳能以单晶硅和多晶硅、无定型硅、单晶CaAs、CdTe等为代表。硅系列太阳能电池材料纯度要求很高且制作工艺复杂、污染重、成本高、不易柔性加工等缺点，难以大规模生产，限制了其大面积推广使用。其它类型半导体材料的太阳能电池因存在材料来源及工艺等问题也同样难以得到推广。而有机半导体材料由于原料易得、成本低廉、重量轻、制备工艺简单、环境稳定性高、能耗少，尤其是聚合物的柔性使其可以制成不同形态的柔性器件、易于大规模生产等突出优势，显示了其巨大的开发潜力，成为近些年国内外研究的热点，倍受学术界关注[2,3,4]。
经过十几年科学家与企业界的探索研究，聚合物太阳能电池的光电转换效率得到了迅速的提高。据文献报道，聚合物太阳能电池的最高光电转换效率已经超过7%，但是相对于无机半导体太阳能电池的效率而言还相对较低，尚不能普及使用。为了进一步提高其光电转换效率，各科学界人士从材料合成，器件构造，器件制备技术进行了大量深入的研究[5,6,7]。光敏活性层作为聚合物太阳能电池器件主要组成部分，对活性层的材料结构和性能改进，成为提高聚合物太阳能电池的光电转换效率的研究热点。
图1.1 聚合物太阳能电池的器件构造
1.1 聚合物太阳能电池的发展简介
1986年Tang等[8]开创了有机給体/受体异质结型太阳能电池的研究方向，使其器件的光电转换效率提高到接近1%。
1993年Sariciftci等[9,10]研究发现了共轭聚合物与C60之间的光诱导电子转移现象，提出了共轭聚合物/富勒烯异质结型太阳能电池，基于其结构的器件光电转换效率超过了1%，这才使聚合物太阳能电池得到学术界的关注。
1995年，Heeger等[11]首先提出了本体异质结（BHJ）型结构，活性层由共轭聚合物给体和可溶性受体共混组成，接触面积大，有利于载流子的运输扩散。但由于共轭聚合物的吸收谱带较窄，电荷载流子迁移率低，导致PSC的光电转换效率仍然较低。
目前对于PSC的研究，主要集中在本体异质结(BHJ)型有机太阳能电池上，聚合物太阳能电池的器件结构如图1.1所示。聚合物太阳能电池由共轭聚合物（电子给体）和PCBM（C60的可溶性衍生物，电子受体）的共混膜（光敏活性层）夹在ITO透光电极（正极）和Al等金属电极（负极）之间所组成。太阳能电池的工作原理是基于半导体的异质结界面附近的光生伏打效应，所以太阳能电池又称为光伏电池。当光子入射到光敏材料时，作为电子给体的共轭聚合物吸收光子产生激子即电子-空穴对，激子迁移至聚合物/PCBM界面处将电子转移给电子受体，从而实现电荷的分离，分离的电子沿PCBM向负极传递，空穴沿聚合物向正极传递，从而产生电流。光敏活性层作为聚合物太阳能电池的主要组成部分，聚合物种类繁多，可设计性强，这些优点使共轭聚合物的结构和性能改进成为PSC研究重点之一。
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