复旦大学：《纳米线材料和功能器件》课程PPT课件讲义_第4部分：光电转化、太阳能电池

太阳能电池简介 无机太阳能电池 制造工艺大多使用梯度升温,高真空,多步平板印刷技术等,成本高昂 ·半导体具有的高载流子迁移速率,无机太阳能电池一般都具有10%左右 的太阳能转化效率(最高达30% 聚合物太阳能电池 ·制造工艺采用价格低廉的溶剂法 由于广泛存在的电子陷阱,其电子电子迁移速率低下低于104cm v's),其太阳能转化效率最高只有25% 将两者优势结合,制造新型的太阳能电池

太阳能电池简介 无机太阳能电池 聚合物太阳能电池 • 制造工艺大多使用梯度升温，高真空，多步平板印刷技术等，成本高昂 • 半导体具有的高载流子迁移速率，无机太阳能电池一般都具有10%左右 的太阳能转化效率(最高达30%) • 制造工艺采用价格低廉的溶剂法 • 由于广泛存在的电子陷阱，其电子电子迁移速率低下(低于10-4 cm- 1 V -1 s -1 )，其太阳能转化效率最高只有2.5% 将两者优势结合，制造新型的太阳能电池

太阳能电池 12 8E与oo6 8 6 2 0100200300400500600700 Photovoltage /m 图11染料敏化纳米晶太阳能电池的I-V曲线

太阳能电池

太阳能电池简介 无机半导体太阳能电池 负载 3. 当p型半导体和n型半导体结合在 起时,n区的自由电子会扩散至P区; 于是电子和空穴在pn结区域内相互 扩散。一旦达到平衡,在pn结区域 N型半导体 就形成一个“内电场” N区电子与P区空穴1 相互扩触的交界区域 P型半导体 2.太阳光冲击光电池,产生载流子,被 内电场吸收,在电场作用下,电子由 p层向n层移动(空穴反之)。 N型半导体 PN结 3.外部电路存在时,电子从n层经外 P型半导体 部电路回到p层,以纠正电荷平衡, 于是产生电流。 吸收光子 形成电流 图1.无机半导体太阳能电池工作原理

太阳能电池简介 无机半导体太阳能电池 1.当p型半导体和n型半导体结合在一 起时，n区的自由电子会扩散至P区； 于是电子和空穴在pn结区域内相互 扩散。一旦达到平衡，在pn结区域 就形成一个“内电场”。 2.太阳光冲击光电池,产生载流子,被 内电场吸收,在电场作用下,电子由 p层向n层移动(空穴反之)。 3.外部电路存在时，电子从n层经外 部电路回到p层，以纠正电荷平衡， 于是产生电流。 图1.无机半导体太阳能电池工作原理

太阳能电池简介 聚合物太阳能电池 1.光照下,共轭聚合物电子受激从最 高占有轨道(HOM)迁到最低空轨 道(LUM0),形成束缚的电子空对 active layer (激子)。 I PEDOT: PSS 2.激子扩散到D/A异质结交界,发生 电荷分离,给体中的激子将电子转 移给受体,受体中的激子将空穴转 移给给体,实现电荷分离。 bilayer bulk heterojunction 3电子和空穴分别沿受体和给体向负 极和正极传递,通过外部电路,形 成电流。 MEH-PPV PCBM MEH-PPV [6,6]PC61BM 图2.聚合物太阳能电池工作原理

太阳能电池简介 聚合物太阳能电池 1.光照下，共轭聚合物电子受激从最 高占有轨道(HOMO) 迁到最低空轨 道(LUMO), 形成束缚的电子空对 (激子)。 2.激子扩散到D/A异质结交界，发生 电荷分离，给体中的激子将电子转 移给受体, 受体中的激子将空穴转 移给给体, 实现电荷分离。 3.电子和空穴分别沿受体和给体向负 极和正极传递，通过外部电路，形 成电流。 图2.聚合物太阳能电池工作原理

太阳能电池简介 聚合物-无机材料杂化太阳能电池 ·电子更倾向于在高电子亲和性的无 机半导体和离子电势相对较低的有 机分子和聚合物中传递 Anode Organicinorganic ·高电子密度态的聚合物无机半导体 hy Cathode 复合材料使电子传输速率达到很高 Glass 的值 Solar light 图3聚合物无机材料杂化太阳电池 ·可通过低廉的溶液法制备

太阳能电池简介 聚合物-无机材料杂化太阳能电池 • 电子更倾向于在高电子亲和性的无 机半导体和离子电势相对较低的有 机分子和聚合物中传递 • 高电子密度态的聚合物无机半导体 复合材料使电子传输速率达到很高 的值 • 可通过低廉的溶液法制备 图3.聚合物-无机材料杂化太阳电池

聚合物-无机材料杂化太阳能电池 性能表征 含有90wt%60:7 nm CdSe纳米棒 A 0.04 P3HT复合物,能量转化效率为6.9% c0.02 (Ar515nm0.1mW/cm2)(6B)。 Dark 开路电压为0.5V,最大功率点的 0.00 电压为0.4V,填充因子(FF)为0.6。 0.1 mW/cm 持续太阳光下测试(AM1.5GAr), 700 Wavelength(nm) Voltage(V 效率为1.7%,开路电压为0.V, 最大功率点的电压为0.45V,FF=0.4 0.4 填充因子( fill factor,FF是最大输出功率 §3AM1cbal 和电路短路电流和开路电压的乘积之比 020.4 {V} Voltage(V) avelength(nm ∫max 图7.(A)7,30,60:7m外部量子效率(B)|-V曲线,60:7mm SCVOC 器件(Ar515nm01mW/cm2)(0)60:7m器件在AM 1.5光条件下的|-V曲线0)60nm长,直径387m的 器件光电谱

聚合物-无机材料杂化太阳能电池 性能表征 图7.(A)7,30,60:7nm外部量子效率(B)I-V曲线，60:7nm 器件(Ar 515nm 0.1mW/cm2)(C)60:7nm 器件在AM 1.5光条件下的I-V曲线(D)60nm长，直径3&7nm的 器件光电谱 含有90 wt%的60:7nm CdSe纳米棒 P3HT复合物，能量转化效率为6.9% (Ar 515nm 0.1mW/cm2)(6B)。 开路电压为0.5V，最大功率点的 电压为0.4V，填充因子(FF)为0.6。 持续太阳光下测试(AM 1.5G Ar)， 效率为1.7%，开路电压为0.7V， 最大功率点的电压为0.45V，FF=0.4。 填充因子(fill factor,FF)是最大输出功率 和电路短路电流和开路电压的乘积之比

聚合物-无机材料杂化太阳能电池 D1,2 Solar Radiation Spectrum 2.5 V: Visible Infrared ss0.8/ E5EE Sunlight at Top of the Atmosphere a15 5250 C Blackbody Spectrum 0.4 Radiation at Sea Level 0.5 Absorption Ban 0.0 400 500 600 700 2505007501000125015001750200022502500 Wavelength(nm) Wavelength(nm) 图7.①)60nm长,直径3&7m的器件光电谱 图8,太阳辐射光谱 Gdse纳米棒和P3HT在可见光部分有互补的吸收光谱。 吸收光谱可通过调节纳米棒的直径(量子局限效应)来最大程度地与 太阳辐射光谱重叠(6D)

聚合物-无机材料杂化太阳能电池 图7.(D)60nm长，直径3&7nm的器件光电谱 图8,太阳辐射光谱 CdSe纳米棒和P3HT在可见光部分有互补的吸收光谱。 吸收光谱可通过调节纳米棒的直径(量子局限效应)来最大程度地与 太阳辐射光谱重叠(6D)

染料敏化太阳能电池 基本原理 DSCs是模仿光合作用原理,研制出来的一种新型太 阳电池,其主要优势是:原材料丰富、成本低、工艺技术相对 简单,无毒、无污染的。 负载 对电极 (Pt) 导电玻璃 电解液 13 (FTO 染料(N719 TIO 纳米晶多孔半导体薄膜

染料敏化太阳能电池 基本原理 DSCs是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太 阳电池，其主要优势是：原材料丰富、成本低、工艺技术相对 简单，无毒、无污染的。 （N719 ） (Pt) (I3 - /I- ) 纳米晶多孔半导体薄膜 (FTO)