20l4年第1 5期 第41卷总第281期 广 东化 工 l25 WWW.gdchcm.com 有机太阳能电池研究现状与进展 邓理丹 (川北医学院化学教研牢,p 川I南允6370001 [摘要】有机太Iq-1能电池具有材料来源广、成本低、可弯曲、耗能少、易于大规模生产等优势,成为近1儿年来I 内 ̄'l-;fq4iJf人员研究的热点。 文章介绍了柯机太m旧&电池的,r 作原理和种类,并对其应用前景进行了展望。 【关键侧]有机太 1能电池:1=__作原理;种类 [I {图分类 ̄-]TK513 [文献标识码]A [文章编号]1007.1865(2014)15.0I25—0l The Research and Development on Organic Solar Cells Deng Lidan (Department ofChemistry,North Sichuan Medical University,Nanchong 637000.China) Abstract:Organic solar cells have become a hot study issue among researchers home and abroad in recent decades.which possess a lot or"advantages,such as suficifent supply of rcsources,low COS|,flexibility,less energy consumption and easy for mass production.The paper introduces the operating principles,categories, as well as perspectives of organic solar cells. Keywords:organic solar cells:operating principles:categories j今,能源 题 成为制约国际社会经济发J捉的 耍问题。 人刚能足 种取之 『fj之不竭的可再生能源。也是清洁能源, 不产,li仟fIl』的环境污染。 于此,越来越多的同家开始实行“阳 光计划”,通过开发人刚能资源来寻求新动力。1954年.荚闻的 尔研究所成功地研制}“硅太阳能电池,其光电转化效率高达6 %.成为J,人 能电池商业化研究开始的标志【Ij。太阳能电池的制 作 要足以半甘休材料为基础,利用光电材料吸收光能后发 光 电r转换反应。根据材料的 同可分为:(1)硅太阳能电池:(2) 以光机盐如硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池;(31有机 功能商分了人[jl1能电池;(4)纳米晶太阳能电池等。 H前为I}:. 品硅、多品硅和非晶硅以及硫化镉等无机太阳 能l乜池l 槲了_人lqj能lU池f订场的 要地位。从同体物理学上 井, 硅材料足 接能带 体材料,其光吸收系数低,因此,不是最 想的光伏材料。仃机的太阳能电池材料与无机材料相比制作成 本低、可弯曲、来源广泛-21、耗能少、易十大规模牛产等优铸, ,J 了其I 人 r发潜力,成为近十儿年来网内外科研人员研究的 执 。 1有机太阳能电池的工作原理 仃机太l5日能I 池按结构I 分为 质结 ^构、p-n异质结结构、 p-n小体片质结结构。 质纳结构的 机人阳能l乜池j I乜池结构为:玻璃/金属电极 /染 ̄"I-/金 IU撇, 端为2种功函 I叫的l乜撇,中间为‘单一的有 机、 甘仆 。其【 作 理为: 个电极的功 差或金属与有机材 料接制i J ̄i) 成的肖特 辨垒产乍内I乜场_』J。电予从低功函的金属 I乜极穿过仃机层剑 功函电极, 内电场作川卜形成光电流。 由f电了 j窄八 同‘卡才料 传输,复合儿率较大,所以单质结 结构仃机人阳能lU池的’匕电转换效;年低。 p—n’亡质绌 构仃机太l5}]能电池电池结构为:玻璃/ITO/n.染 料/p 染料/金属l乜极。 -社质结结构囱‘机 刚能电池相比,其光电 转换效率舟, 为供体一受体片质结结构的存在。其工作原理为: (1)供体村料吸收人 光, 生激子,(2)激予迁移到供体.受体界面, 然后通过}乜r的传输过程使得激了分离出 穴和电了,(31在内电 场的作f1】卜『1[tt钱流r辽移纠再自的电撇}:。D/A界而能提高激 了的分离效率,此外,电f和 穴分别在不同的材料中传输,使 得复合儿牢降低,提 光电转换效牢。f=【i这种结构也仃缺陷,由 r仃效的电荷分离 能技牛在D/A界而处,使吸收光予的数最受 剑I;61制,I 此此类仃机爪阳能电池的光电转化效率仍然不高。 p-n小体异质结仃机太阳能电池电池结构为:玻璃/ITO/A+D 混合材料/金属电撇。结构中供体和受体分子紧密接触,形成D—A 连接网络。增Dil r D/A接触 积,形成无数小的p-n结,分别建 起 穴平lI电于传输通道,从而提岛光电转化效率。但这种结构 也仃缺陷,由于川念州容性 妤,窬易发乍相分离从而破坏器件 的件能 I。 仃机爪 能}乜池根 供仆十才料lIj 分为仃机小分 人 能 池 和仃机聚合物 Ij}]能电池。 仃机小分_,山于分 结构lJ1】确的、分r ㈦定、l L仃较 的 纯艘和较好的 短性,使其 f机人m能fU池I{J 受受I 彤轻。 巾给体一受体(D.A) 仃机小分r材料成为J 囱’机人lj}1能}U池研究 的新的增k点, 为其I及收光谱较 、J e稳定・ 、还埸r调 节的能级水平 光电 质。H前,・ 能较好,研究最多的给体一 受体(D—A) 有机小分f材料有以卜几类:(1)2,l,3.苯许嗥 唑类 给.受体有机小分了。 于该 元构建的可溶液 1 的D—A 小 分 的最高光电转换效牢高达4_3%L5】;(2)氰基类给体一受体仃机 小分 。H前基F荦.氰琏构建的可溶液加I 仃机小分 人阳能l乜 池的最高光l乜转换效率岛达3.82%;基n人j 氰 的给体.受体仃 机小分 获得体’亡质结人 能电池的最高Voc为1.07 v.最高)匕 电转换效率为5.08%-6】;基于2一吡喃。4一 基 氰构建的给仆一 受体有机小分I,体异质结人 能电池的最 光电转换效牢为2.47 %。(3)基j:吡咯jt--I ̄l-t;略 酮构建的给体一受体仃机小分r,其可溶 液』JI】工的D.A型小分r的最高光电转换效率商达4.4%。(4) t 份 、硼络 二吡咯群1方酸构建的给体.受体f『机小分r,实现lr 目前仃机小分 体异质结 能电池的最高光l乜转换效率5.5 % J。总的来说,蜮近儿年科研I:作肯们对仃机小分r J 仃机体件 质结太阳能电池【flJ的应用倾汴了人 的心衄,使 其光I乜转换效 率得到了极人地提升,趴离骨机爪阳}乜池l『 、Ik化的脚步也越来越近。 有机聚合物太阳能tU池』 有蘑 轻、, , 曲以及nr溶液成膜 的优点,得到了广泛的天沣。浚类电池制作的关键是 ‘机 轭十于 料的选择,须满足几个丛本要求:和 导体能接触紧密: 见『 光Ix 钉好的光【l及收:满足初级和次绒电 转移过 中能量损失垃 小:稳定妤即有长寿命的激发态存 ;足够负的激发态氧化还原 势以使电 注入半导体导带,H基念氯化还原势 .rii ̄121。l i前 常用于聚合物太l5H能电池研究的聚合物材料卜葵仃聚咪lJly(PTH) fTft-t物、聚苯乙炔(PPV)衍生物、聚苯 ̄(PANI)以及足它类聚合物 材料。研究发现,如果仃机太m能电池的能 转换效率(PCE)接近 lO%就能J}]十商、 生产I 。现 ,聚合物的混合 质结的PCE已 达剑r 7%以上 J. 馀如此,还很仃提高的空lhJ。我们相信,聚 合物人阳能电池 过 系列的 进之肟,仃 使Jtjt‘定的商、 用途 3前景展望 【j前,制约有机人『5『{能电池的根本原 为缺少合适的供体卡于 料。}}]于该类电池{9LN.还没仃 观 人的新突破,婴寻找新的依 据来指导该材料的设计,可能会需要‘段时间才能解决。但l J_以 预测,效碍夏高、成本低、工艺简单的何机人 能电池, 将来必 然会商业化和普及。对于有机太阳能电池的商业化,关键足电池 的各种性能参数特别是总光电转换效牢如何提高。解决问题的 耍Ⅲ路主要为以卜_二个) 键,J‘丽,ⅡlJ} 池的运作机 、}乜池的制 作材料和制作1:艺。 (卜转第130页) 2有机太阳能电池的种类 【收稿日期】2014—07—01 【基金项目]川北 学院科研发展计划项目(CBYI3一A—QN29) 【作苕简介】邓理坩(I985一),女,达州人。助教,主要从事导电材料和太阳能电池材料的研究。 广l30 东化工 2O14年第15期 第41卷总第281期 Ⅵnv、v.gdchem.CO1TI 如表而吸附、表面包覆和表面接枝能使其与聚合物更好的匹配, 町以提高阻燃效率并最小程度的降低聚合物的力学性能,因此纳 米化与表面改性是发挥无机阻燃剂自身优势的重要手段。 分子材料科学与:r:程.2013,29f1):4O.43. [21]刘玉荣,黄玉东,刘丽,等.甲摹丙烯酰氧基倍半硅氧烷对有机硅树 脂耐热性能影响Ⅲ.固体火箭技术,2006,29(3):147.221. 『221Okada A,Kwnasumi M,et a1.Synthesis and characterization ofa nylon 6-clay hybrid[J1.Polymer preprints,l987,28:447—448. 『231Wang Z Y,Han E H,Ke W.Fire.Resistant Eff_ect of Nanoclay on Intumescent Nanocomposite coatings[J].Journal ofApplied Polymer Science, 2007,l03(31:l681.1689. 参考文献 『1】l 甲,陈伟红,郑兰芳.纳米无机阻燃剂在聚合物基复合材料中的应用 研究进展『J1.材料科学 工程学报,2003,21(1):122.125. 【2】F梅,胡云楚,袁利滓.CONE法研究聚磷酸铵和硼酸对环氧树脂复合 材料的阻燃作用[J1.塑料工业,201 1,39(3):88 92. [3]洪晓东,杨东旭,黄金辉,粱兵.微胶囊聚磷酸胺的制各及阻燃环氧树 脂的性能研究fJ].涂料工业,2012,42(12):7.1O. [4]李 建,张宜恒,孙道兴.氢氧化镁/氢氧化铝/三聚氰胺磷酸盐协效无 卤膨胀型阻燃硅橡胶的制备与性能研究fJ1.橡胶工业,20I3,60(6): 344.35O. f24]Serge B,Jeffrey W G,Chades A W.Kinetic analysis of the thermal degradation of polystyrene.montmorillonite nanocomposite[J1.Polymer Degradation and Stability,2004,84(33):483.492. f25]Hu Y,Tang Y,Wang S F,et a1.Preparation and flammability of ethylene.vinyl acetate copolymer/montmorillonite nanocomposites[J].Polymer Degradation and Stability,2002,78(31:555.559. [5】李小云,王正洲,梁好均.二聚氰胺磷酸盐和季戊四醇在EVA中的阻燃 研究[J].高分子材料科学与工程,2007,23(1):145—148. [6]Tai Q L,Yuen R K K,Yang W,et a1.Iron—montmorillonite and zinc borate as synergistic agents in flame・-retardant glass fiber reinforced poly・・amide 6 composites in combination with melamine polyphosphare[J].Composites:Part A,2012,43(3):415-422 f7】刘滑I,韩忆,王琪. i聚氰胺聚磷酸盐/硼酚醛协效体系阻燃PA66/GF 复合材料的研究【J1. 料应用,2Ol2,40(8):5-9. [8]钟柳,敞育湘.双酚A双(二苯基)磷酸酯对环氧树脂的阻燃性能『J].化 学研究,2006,l7(3):56.59. 『26]E韶眸,任文坛.张勇,等.原位有机改性法制备EPDM/黏L纳米复 合材料的热分解行为及填料一橡胶相互作用Ⅲ.弹性体,2005,15(6):15 18. 『27]赵文胜,高阑新,郑元锁,等.白炭黑与硼盼醛树脂用量对EPDM/NBR 柔性绝热层材料性能的影响IJ1.固体火箭技术.2005,28(4):295—298. 【28]彭德淼.锑系阻燃剂研究新进展IJ1.塑料助剂,2004,(5):6-8. 【29]张文征.钼酸盐阻燃抑烟剂研发现状『J].中国钼业,2003,27(1):7-9 f30]张树明,周亚斌,任文坛,等.稀土氧化物对提高甲基乙烯肇硅橡胶 耐热性的作用Ⅲ.特种橡胶制品,2009,30(6):10.13. [31]Yantao Li,Bin Li,Jinfeng Dai,et a1.Synergistic effects oflanthanum oxide on a novel intumescent flame retardant polypropylene [9 i林刚,徐晓楠,段全明.等.新型磷系阻燃剂四苯暴(双酚A)二磷酸 酯阻燃PC/ABS的研究【J】.塑料科技.2009,37(3):77—82. [1O】钱立军,罗云庆,裕玉胜,等.DOPO及其衍生物的应用综述『J].阻 燃材料 j技术,2006,37(3):l一5. [1 1】Wang C S,Lin C H.Synthesis and properties of phosphorus containing advanced epoxy resins[J].Journal ofApplied Polymer Science,l999,75(3): 429.436. system[J1.Polymer Degradation and Stability,2008,93(11:9.16. [32]Qiang Ren,Chaoying wan,Yong Zhang,et a1.An investigation into synergistic effects of rare earth oxides on intumescent flame retardancy of p01ypropylene/poIy(octylene—co—ethylene) blends[J1.Polymers advanced technologies,20l】,22:l414.1421. f33]Jing Wu.Yuan Hu,Lei Song,et a1.Synergistic Effect ofLanthanum Oxide on Intumescent Flame Retardant Polypropylene—based Formulations fJ1.Journal ofFire Sciences,2008,26:399.414. [12]Wan g C S,Shieh J Y.Synthesis and properties ofepoxy r esins containing 2一(6-oxid-6H—dibenz[c,e…,2]oxaphosphorin-6一y1)l,4-benzenediol[J].Polyme r.I998.39(23):58l9-5826. 『1 3]WangC S,Shieh JY.Phosphorus-containing epoxy resinforanelectronic Application .Polymer Engineering and Science,1999,73:353—361. [14]-E俊胜,刘云,王德义,等.一种新型阻燃剂的合成 i性能明.阻燃 利料 技术,2007,(5):l4.15. fl5】徐矬t}】1朴I 义,{ 春征,等.大苯氧基环 磷腈阻燃PC/ABS合金及 j 攥I解研究『J】.r}1【司 J举},2011,25(12):21.25. [16]钱 军,等.新型阻燃剂制造与应用[M].北京:化学工业出版社,2013. f34]张琦,Ⅲ明,吴发平,等.氢氧化镁粒径对其填充-EJL乙丙橡胶复合 材料力学性能和阻燃性能的影响fJ].合成橡胶:[业,2004,27(6):368.373. [35]刘立.华,陈建铭,宋云华,等.纳米氢氧化镁阻燃剂在软质PVC ̄t 的 应川研究Ⅲ.高校化学工程学报,2004,l8(3):339.343. [36]林铭,陶文亮,聂登攀,等.氢氧化铝镁阻燃荆表面改性研究【J】., 尔化 2Ol0,37(10):37—38. 『371Camino G。Martinasso G,Costa L.Thermal degradation ofpentaerythritol diphosphate.model compound for fire retardant intumescent systems:Part I.0verall thermal degradation.Polym Degrad Stab,l990,27:285.296. [17】胡源,宋磊,等.阻燃聚合物纳米复合材料[M].北京:化学工业出版 社,2008. 『38]Znak L,Stolecki K,Zieliifski J.The effect of cerium,lanthanum and zirconium on nickel/alumina catalysts for the hydrogenation of carbOn oxides.Catal Today,2005,lOl:65.71. [18]刘玉荣,黄 K东,张学忠,等.POSS改性传统聚合物的研究进展 .宇 航材料-1 艺,2005,2:6—9. 【l9]IkedaM,Utilization ofPOSSinindustrial applications[C].In:Proceedings ofPOSS nanOtechnOlOgy conference,Huntington Beach CA;2002,278—288. (本文文献格式:郑光虎,付翔,聂松,等.无卤阻燃剂的研究进 展[J].广东化工,2014,41(15):128—130) 【2O¨ 文平,丁伟良,吕晓勇,等.POSS ̄性聚氨酯的合成与性能『J].高 (}二接第l25页) 参考文献 [I]Chapin DM,FullerCS・Pearson GL.Anewsiliconp-njunctionphotocell for converting solar radiation into electrical power.J Appl Phys-1954,25f5 : 676-677. 『6]Liu YS,Wan XJ.wang F,et a1.Spin—coated small molecules for high performance solr acells.Adv Energy Mater,20I】,5fl1:771.775. 『71Wei GD,Wang SY,Renshaw K.et a1.Solution—processed squaraine bulk heteroiunction photovoltaic cells.ACS Nano,2O10,4(4):l927.1934. 『8]Scharber,MC,et a1.Design rules or fdonors in bulk_heter0;unction solar cells towards lO%energy—conversion emciency.AdvMater fWeinheim, 【2]Angelop0ul0s M,Liao YH,Furman B,et a1.Solvent and salt effects on the morphological stuctrure ofpolyaniline.Synth Met,1999,98(3):201—209. Germany),2006,l8(61:789—794. [3]张灭慧.朴玲钰,赵玲。等.有机太阳能电池材料研究新进展.有机化 学.201 1,3l(21:260-272. 【4]肖红斌.本体异质结有机太阳能电池性能影响网素.大众科技.2010, 7:106一lO7. 【9]Liang YY,Yu L.A new class of semiconducting polymers for bulk heterOillnctiOn solar cells with exceptionally high performance.Acc Chem Res,2Ol0,43(9):l227.1236. [5]Shang HX・Fan・HJ,Liu Y・et a1.A Solution-processable str-shaped amoleculefor high-performance organic solra cells.AdvMater,2011,13(23), l 554.1557. (本文文献格式:邓理丹.有机太阳能电池研究现状与进展[J].广 东化工,2014,41(15):1 25)