聚合物太阳能电池等效电路模型研究 第 12卷 2012笠 第 1期 1月 中 国 水 运 Oh i na Water Transport Vo1．12 Janury No．1 2O12 聚合物太阳能电池等效电路模型研究 吕成兴 ，刘军礼 (1山东省科学院海洋环境监测技术重点实验室，山东 青岛 。 ， 刘 波 ，臧鹤超 266001；2山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 265001) 摘 要：文中论述了有机聚合物太阳能电池的应用，在分析聚合物太阳能电池机理的基础上，建立了有机太阳能电 ...

  第 12卷 2012笠 第 1期 1月 中 国 水 运 Oh i na Water Transport Vo1．12 Janury No．1 2O12 聚合物太阳能电池等效电路模型研究 吕成兴 ，刘军礼 (1山东省科学院海洋环境监测技术重点实验室，山东 青岛 。 ， 刘 波 ，臧鹤超 266001；2山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 265001) 摘 要：文中论述了有机聚合物太阳能电池的应用，在分析聚合物太阳能电池机理的基础上，建立了有机太阳能电 池的等效电路模型，并简单探讨了该领域进一步研究的方向和前景。 关键词：聚合物太阳能电池；有机光伏材料；等效电路模型 中图分类号：TM914．4 文献标识码：A 文章编号：1006-7973(2012)01—0084-02 随人类社会的发展，所需要的能源与日俱增，同时环 境污染越来越严重。太阳能作为完全绿色、无污染、可再生 新能源，是最接近产业化应用的替代能源之一。 目前市场上能够大规模产品化的太阳能电池主要是硅太 阳能电池，硅太阳能电池的成本高，其寿命无法超过其自身 的能源回收期，而废旧产品的处理也是一个不容忽视的问题。 因此，降低太阳能电池的成本，发展超高的性价比、绿色环保的 太阳能电池，成为光伏太阳能电池行业最迫切解决的问题。 有机聚合物太阳能光伏电池能够使用印刷的方法实现大 规模的生产，从而能够使太阳能电池成本从现有的每瓦 3～4 美元降低至 0．5美元，是各种太阳能电池中性价比最高的一 种。 一 、 聚合物太阳能电池工作原理 对于传统的硅光伏电池 ，太阳光被吸收后直接产生可自 由移动的电子和空穴，它们在 P—n结本征电势的驱动下分别 被输送到阴极和阳极，然后通过外电路循环做功产生电能。 在聚合物太阳能电池中光电响应过程是在光敏层中产生的， 聚合物吸收光子以后并不直接产生可 自由移动的电子和空 穴，而产生具有正负偶极的激子 (Exciton)。只有当这些激 子被解离成可 自由移动的载流子 ，并被相应的电极收集以后 才能产生光伏效应。在没有另外加电场的情况下，要使光敏层 产生的激子分离成 自由载流子，光敏层要至少使用两种功能 材料 (或组分)，即电子给体 (donor或 D)与电子受体 (acceptor或 A)。为了使激子过程得以顺利进行，要求所 选用电子给体的最低空轨道 (LUMO)能级比电子受体的 LUMO 能级稍高，这样在能量的驱动之下，电子由 D 相的 LUMO转移到A相的LUMO上。正常的情况下，D相的 LUMO 能级比A相的 LUMO能级高 0．3—0．4eV时，就能使激子有 效地分离成 自由载流子。激子在聚合物太阳能电池中产生光 伏效应的的过程如图 1所示。 有机材料的激子分离与迁移并非全部有效，为了有效地 将光能转化成电能，一定要满足以下条件：(1)在聚合物太阳 能电池的激活区域光吸收必须尽可能的大 ；(2)光子被吸收 后产生的自由载流子必须充足的多；(3)产生的载流子能低 损耗地到达外部电路，这样才可以得到较大的光电转换效率。 然而事实上并非如此，在光电转换过程中存在着大量损耗 ， 使得聚合物太阳能电池实际光电转换效率低下。 (a) (c) 敞子在光照下产生 激子在离化粤卜耩兮离成自南载流子 (b) (d) 激子内离忧豁丽够动 自由载流予在内【乜场作用下内两级运动 图 1 聚合物太阳能电池中光伏效应产生过程示意图 二、聚合物太阳能电池关键技术 1．太阳能电池的结构 聚合物太阳能电池在 D／A 界面的激子的分离效率几乎 可达到 100％，但是激子的扩散距离约为 1Onto，距离 D／a 界面大于 1 0nm处产生的激子在未扩散到该界面之前就被陷 阱 (trap)等因素淬灭掉了，对光电流没有贡献。因此双层 结构的光敏层的总厚度不能超过 20nm。然而，太薄的光敏 层对太阳光的吸收能力十分有限，因此效率一般都低于 1％。 2．光敏 层材料 光敏层材料对太阳光谱的吸收程度直接影响这光伏电池 的转化效率。太阳光谱的能量大多分布在在波长为 700nm 左 右的近红外区，在聚合物电池中，MDMO—PPV和 P3HT是 应用广泛的两种电子给体材料，两者达到最高响应效率时所 对应的光谱波长分别在 550nm 和 630nm 左右。因此，寻 找光谱响应与太阳光相匹配的有机聚合物光敏材料成为提高 聚合物太阳能电池效率的关键。 3． 电极与 电极界 面 选择比较适合的金属电极，使正负极都能形成良好的欧姆接 触， 使电极充分的发挥电荷收集的作用。目前，在聚合物太阳 收稿 日期：20l1—10—15 作者简介：吕成兴 (1983一)，男，山东省科学院海洋仪器仪表研究所研究实习员，主要是做海洋仪器仪表与自动控制方 面的工作。 万方数据 第 1期 吕成兴等：聚合物太阳能电池等效电路模型研究 85 能电池中常用的阳极为氧化铟锡 (ITO)，阴极为 Ca／AI， Ca／Ag，A1和 LiF／A1电极。 由于 ITO的制造成本高，几乎占太阳能电池总体成本的 20％，对于大面积的太阳能电池器件，ITO 电极的方电阻也 是一个要解决的问题，宽度大于 1．5cm 的 ITO 电极将增 加器件的串联电阻，降低器件性能。因此，找到一种即廉价 又有效的替代阳极成为一个挑战。 4．柔性封装技术 空气中的水和氧气是有机聚合物太阳能 电池最大的杀 手，对太阳能电池的寿命有着致命的影响，因此，优良的封 装工艺是制造长寿命聚合物太阳能电池的保证。201 1年至 2015年将是聚合物太阳能电池实现产业化，走向市场的关 键时段，因此 ，发展一种适合有机光电子产品的简单、高效、 实用、柔性的封装工艺成为实现产业化的紧迫的要求。 三、聚合物太阳能电池等效电路模型 有机太阳能电池的等效电路模型可以喝无机太阳能电池 近似相同，只是一些特性参数不同。Christoph J Brabec 等在研究基于 MDMo—PPV／PCBM 有机电池时，采用理想 的肖特基势垒二极管电路模型分析电流电压输出特性；Amit Jain等采用 Lambert W-function来分析有机太阳能电池 的输出特性时，也采用类似的等效电路模型。 J _In 图2 有机太阳能电池等效电路模型 我们建立了有机太阳能电池等效电路模型，如图 2所示： 包括一个电流密度为 JL的理想电流源、一个理想二极管 (电 流密度 J。)、串联电阻 R。和分流电阻 R 。入射光作用于有机 活性层产生光电流 JL(激子完全分离成 自由电子空穴对 ，并 且还没发生任何复合)，分流电阻 RP是考虑部分载流子在 D／A界面附近以及电极附近复合，串流电阻 R 是接触电阻 和有机薄层电阻的复合电阻，它影响有机太阳能电池的电压 电流特性。 根据 KVL和 KCL方程可得 y =J R ， +JR J =一JL+ +Jo JD= ～ 一1) 求解以上方程 ，可得 ： In( 丛 一—V-—JR~+l1_ 二 J J R n 其中，J0为饱和电流密度；n为理想化因子；V 为热电 势 。 当 J=O时，即有机太阳能电池两端开路，此时电压为开 路电压VOC，可得： +Jo(e ~-1) 当V=O时，既有机物太阳能电池两端短路时，负载电阻 为 0，此时的电流为短路电流 JSC。可得： =J。(P 一1)一J 一 有机太阳能电池和无机太阳能相比，有机材料的激子去 激与迁移并非全部有效，由于光电转化过程中存在着大量的 损耗，载流子在势场中的迁移率以及载流子的电极收集效率 较低，具体表现为有机太阳能电池的短路电流很小。另外， 有机太阳能电池具有较大的串联电阻和较小的分流电阻 (分 流电阻一般比串联电阻大三个数量级)。 四、聚合物太阳能电池应用前景 聚合物太阳能 电池材料虽然具有许多无机半导体太阳能 电池材料所不可比拟的优点，但毕竟起步较晚，效率也较低， 要想获得高效率、低成本的聚合物太阳能电池材料任重道远。 以下几个方面将会是今后的研究重点及发展的新趋势。 (1)进一步探索光伏作用原理，对是否能提高聚合物太阳 能电池的能量转换效率至关重要。 (2)增加光子的吸收效率以提高光电转换效率。一是运 用能带隙控制工程来调节聚合物的吸收，以达到与太阳光谱 的完全匹配。二是增加光富集染料层。 (3)研究器件光敏活性层的形态。怎样能形成完美的互 穿网络结构，形成双连续的载荷传输通道至关重要，探讨器 件的最优构型及器件的后处理等也有着非常大的意义。 总之，随着科学技术的向前发展，有机光伏材料所具有 的制备工艺简单、低成本、质量轻、可弯曲和面积大等优点 都会一一在我们的生活中广泛体现，必将为能源的可持续发 展提供根本性的保障。 参考文献 I1】曾望东，丁娉，潘春跃．聚合物太阳能电池材料的研究进 展 uJ．广 州化工．2010，38(7)：43-46． 【2】Martin A G，Keidl Emeq，David L K，et a1．Pro Photo Res&Appl，2005．13(5)：387—392． 【3】林鹏，张志峰，熊德平．有机太阳能电池研究进展uJ．光电 子技 术，2004，24(1)：55~60． [4]Kim J Y，Lee K，Coates N E，et a1．Science，2007，317 (5835)：222—225． 【5】Hou，J． H．， Yang， C． H．，He，C．， Ⅱ ， Y． F． Chem ． Comm un． 2006： 871． I61任斌．有机太阳能电池材料及器件的研究【D】．广州：华南 师范大学，2003． 【7】封伟，冯奕迁．有机光伏器件活性层的微观结构有序性与 电荷输运 化学进展 ，2006，18(2／3)：182—188． 【8】封伟，高中扩．有机光伏电池物理性能的模拟U]_物理学 报 ，2008，57(4)：2567-25． 万方数据 聚合物太阳能电池等效电路模型研究 作者： 吕成兴， 刘军礼， 刘波， 臧鹤超 作者单位： 山东省科学院海洋环境监测技术重点实验室,山东青岛266001／山东省科学院海洋仪器仪表研究所,山东青岛 266001 刊名： 中国水运：下半月 英文刊名： 年，卷(期)： 2012(1) 本文链接：

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