1、无机纳米材料/有机聚合物复合太阳能电池的原理及性能提高的途径,报告人：袁倩敏学号：131200009,研究背景,晶体硅太阳能电池成本太高 染料敏化太阳能电池的液体的泄漏、电池封装困难有机太阳能电池电子迁移能力极低由有机物电子给体、无机电子受体的共混体系组成的有机无机复合太阳能电池，既具有有机电池的优点，又具有无机半导体的很多优良性能，如能级可调、大的消光系数以及多光子效应等，同时又解决了有机电池内部激子分离困难问题,有机无机复合太阳能电池的结构,由光阳极和光阴极电极材料、电子空穴传输层材料、活性层材料共同构成,将无机半导体纳米晶加入到聚合物中形成复合光活性层，共同吸收光子产生载流子。,光阳极材
2、料：FTO，掺杂氟的Sn02透明导电玻璃，ITO导电玻璃的替换用品 光阴极电极材料：Al，起收集电子和连接外电路的作用 电子空穴传输层材料：PEDOT:PSS ，对于吸收层产生的空穴进行收集传输活性层材料：有机聚合物和无机纳米晶复合材料，有机聚合物材料用作电子给体和空穴传输介质；纳米晶用作电子受体和电子传输介质。,无机纳米晶/有聚合物复合太阳能电池工作原理,当阳光通过FTO电极照射到活性层上时， 活性层中的无机纳米晶和有机聚合物同时吸收光子产生激子（电子一空穴对） 激子迁移到聚合物给体/受体界面处，把电子转移给无机受体的导带轨道，空穴传递到聚合物给体的HOMO轨道能级，从而实现电荷分离， 在电
3、池内部势场的作用下，被分离的空穴沿着有机聚合物给体形成的通道传输到正极，而电子则沿着受体形成的通道传输到负极。 空穴和电子分别被相应的正极和负极收集后，形成光电流和光电压，即产生光伏效应。,CdSe纳米晶/P3HT复合太阳能电池,CdSe的带隙随着粒径的大小而逐渐变化，对太阳光的吸收也随着变化；在可见光范围内具有非常好的吸收；Cd基化合物纳米晶是很好的电子受体，容易实现激子的传输与分离，尤其是CdSe纳米晶；合成方法成熟稳定。,2002年美国加利福尼亚州立大学伯克利分校的Alivisatos研究组使用CdSe半导体纳米棒为受体，与P3HT共混制备了共辄聚合物/半导体纳米晶杂化电池，能量效率为1
4、.7%,开辟了有机无机复合电池的新方向。,CdSe纳米晶/P3HT复合太阳能电池性能提高途径,棒状、四足状、枝化及超枝化结构的纳米晶在太阳能电池的应用方面表现出的光电性能明显优于球状纳米晶。增加纳米棒的长度可以提高能量转换效率增大纳米棒的直径可以使吸收光谱的范围向长波长移动,1、纳米晶的形状、种类、尺寸以及组分对复合太阳能电池的影响,实线为四足状纳米晶，虚线为棒状纳米晶,吡啶处理 在获得纳米晶后，通过吡啶回流的方式，使纳米晶表面富集吡啶配体。 其他表面配体也相继用于对纳米晶表面的改性，如氯化物、胺、硫醇等。 对纳米晶表面配体进行还原处理 Kriiger通过对表面配体进行还原，减少配体的链长，从
5、而改善了太阳能电池的性能。用己酸处理后纳米晶一方面其吸收特性保持不变，另一方面由于配体链长的缩短导致颗粒之间的间距减小，提高了电子的传递效率，最终电池效率达到2%。,2、纳米晶表面配体对太阳能电池性能的影响,纳米晶与聚合物的添加比、溶剂种类、热处理条件等对纳米晶与聚合物界面性能有直接影响。,3、纳米晶与聚合物界面电荷传输与分离的优化,纳米晶与聚合物的添加比：当纳米晶的添加量较少时，无法使之与聚合物间形成互相贯穿的网络结构，从而阻碍电荷的产生和电子传输。而当添加量过多时，很难实现纳米晶的充分分散，甚至会造成较大的界面相分离。,溶剂的选择：制备纳米晶聚合物太阳能电池时，溶剂对纳米晶的分散程度及纳米
6、晶与聚合物薄膜的性能具有重要影响。,热处理工艺：热处理是一种常用的增强有机分子迁移率的方法，合理的热处理温度不仅有助于除去光活性层中的低沸点有机溶剂，减小电荷传输障碍，还可以有效缩短纳米晶之间的距离，便于电子传递。,一种改善聚合物与纳米粒子相溶性的方法是直接在聚合物分子链上引入极性官能团以使纳米粒子直接吸附在聚合物分子链上，这样较好地解决了纳米CdSe在聚合物中的分散问题。,4、改善有机聚合物与无机纳米晶之间的相溶性,CdSePPolymer1与CdSePPolymer4在不同CdSe含量下的能量转换效率曲线,当前有机无机杂化电池研究的核心问题是提高器件的光电能量转换效率。要提高光电转换效率可
7、从以下5方面入手: (1) 使光伏材料在可见区有较宽和较强的吸收，提高太阳光的利用率。(2) 延长激子的寿命并缩短到达给体/受体界面的距离，使激子能够扩散到异质结界面上。(3) 激子在给体、受体界面上有高的电荷分离率。(4) 分离后的电子和空穴在分别向负极和正极的传输过程中有高的电荷传输效率，避免途中被陷阱捕获或发生电子和空穴的复合。(5) 要选择具有合适功函数的正负极。,结语,目前, 纳米复合材料的研究与开发还处于起步阶段, 有待进一步的理论研究。其中, 形成各种聚合物基有机一无机纳米复合材料的杂化机理; 形成的热力学与动力学问题; 聚合物与无机物的界面键合型式、界面的稳定性、界面在剪切力作用下的行为、材料的结构与性能、各种功能性的开发,以及原料种类、含量、杂化条件等对成品材料性能的影响等等. 都是很重要的研究课题。相信在有机无机杂化电池的光电能量转换效率大幅度提高之后，能够得到广泛应用，与化石燃料发电相媲美。,谢谢！,
