化学工程与工艺论文

化学工程与工艺论文 武汉工程大学专科 毕业论文 毕业论文答辩ppt模板下载毕业论文ppt模板下载毕业论文ppt下载关于药学专业毕业论文临床本科毕业论文下载 武汉工程大学 毕业设计(论文)说明 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 目: 聚合物太阳能电池的研究与发展 专业班级: 化学工程与工艺 学生姓名: 董 海 鹰 指导老师: 徐 想 蛾 总评成绩: 武汉工程大学专科毕业论文 目 录 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 摘要………………………………………………………………………………1 关 键 词………………………………………………………………………………1 Abstract………………………………………………………………………………..1 Key words……………………………………………………………………………..1 前言……………………………………………………………………………………2 1.有机太阳能电池、聚合物太阳能电池的发展历史……………………………….2 2.聚合物太阳能电池的工作原理和结构…………………………………………….3 3.影响聚合物太阳能电池效率的因素…………………………………………….....7 3.1 光敏层组分形貌的影响……………………………………………………….7 3.2 光敏层组分对太阳光谱响应范围的影响…………………………………….7 3.3 电极材料及界面的影响……………………………………………………….8 3.4 材料载流子迁移率的影响…………………………………………………….8 4.我国聚合物太阳能电池的研究现状…………………………………………….....8 5.聚合物太阳能电池的优点及发展方向…………………………………………….9 参考文献……………………………………………………………………………..11 致谢…………………………………………………………………………………..12 武汉工程大学专科毕业论文 内容摘要:回顾了聚合物太阳能电池的发展历史，介绍了聚合物太阳能电池 的工作原理以及光电效应的产生过程，指出了聚合物太阳能电池与传统无机太阳 能电池在光电响应方式上的差别，探讨了目前都有哪些主要因素制约了电池效率 和稳定性提高以及光敏层薄膜形貌对器件性能的影响，展望今后聚合物太阳能电 池的发展方向。 关键词:聚合物太阳能电池 光电响应 体相异质结 形貌调控 Abstract: Reviews the history of polymer solar cells, introduced the works, and electro-optical effect of polymer solar cells, have pointed out that traditional inorganic polymer solar cells and solar panels on the electro-optical response of difference, explore now what were the main factors restricting the battery efficiency and stability of the photosensitive layer thin film morphology and impact on performance, looking to the future development trend of polymer solar cells. Keywords: polymer solar cell electro-optical response bulk-heterojunction body morphology control 1 武汉工程大学专科毕业论文 前言 随着全球化石燃料的不断耗尽以及环境污染的日益严重，人们不得不寻找清洁的可再生能源作为目前能源的替代品。太阳能在地球上分布广泛，且取之不尽、用之不竭，是一种真正意义上的绿色能源。因此，近年来对太阳能的开发和利用的研究发展尤为迅速。虽然直接利用光伏效应的光伏电池对太阳能的转化效率比起其他的非直接转换方式要高好几个数量级，最高能量转换效率已经达到24%，基于砷化镓半导体的光伏电池转换效率甚至已经达到了31%,32%(AM1.5G条件 [1]下)，但全球光伏电池的安装容量却十分有限，其主要原因是现有的基于无机硅或半导体的光伏电池的价格过于昂贵。虽然经过几十年的技术进步和工艺改进，其价格已经下降了很多，但还是超出人们普遍可接受的范围，并且进一步大幅降低的可能性已几乎不存在。因此，一种新型的有机太阳能电池应运而生,那就是聚合物太阳能电池。本文在此就目前聚合物太阳能电池的研究进展和存在的问题进行评述。 1.有机太阳能电池、聚合物太阳能电池的发展历史 根据资料显示，聚合物太阳能电池是在有机太阳能电池的基础上发展起来的。有机太阳能电池是一种受光激发产生激子(电子和空穴)并通过激子的分离产生电流的太阳能电池。激子的存在时间通常在毫秒量级以下，如果没有经过彻底分离，电子与空穴会复合释放出之前吸收的能量，所以有机半导体中激子分离的效率对电池的光电转化效率有关键的影响。 Kearns和Calvin在1958年制备了第一个有机光电转化器， 他们所用材料主要为镁酞菁(MgPc)染料，将染料层夹在2个功函数不同的电极之间，并在此器件上获得了约200mV的开路电压。这个器件的工作原理为:有机半导体内的电子在光照下被从轨道(HOMO)能级激发到最低空(LUMO)能级，从而产生一个电子-空穴对;然后电子被低功函数电极提取，空穴则被高功函数电极的电子补充，由此在光照下形成了光电流。其中，有机半导体膜与不同功函数电极接触时形成的肖特基势垒是导致光致电荷定向传递的基础，因而这种结构的电池通常被称为肖特基型有机太阳能电池。 1986年，柯达公司的Tang C W采用perylenetetracarboxylic deri vative(PV)和铜酞菁(CuPc)制成的双层膜异质结，使太阳能电池的光电转化效率达到1%左 2 武汉工程大学专科毕业论文 右。与肖特基型有机太阳能电池相比，这种电池引入了电荷分离的机制，即作为给体的有机半导体材料在吸收光子后产生激子(电子-空穴对)，其中电子注入到作为受体的有机半导体材料中，并将空穴和电子分离开来，分别传输到2个电极上形成光电流。一般情况下，有机染料内激子的迁移距离大约为10nm，大多数激子在分离成电子和空穴之前就复合掉了。而通过在有机电池中引入异质结，电子就很容易的能够从受激分子的LUMO能级注入到电子受体的LUMO能级，而反向过程相比却困难得多，这就明显提高了激子的分离效率。一般情况下激子的分离都是在界面进行的，在制备的过程中使两层膜形成一种双连续的相互穿插结构，使在给体材料中产生的激子可以较容易地通过扩散到达两种材料的界面，从而实现电荷分离，也就形成了现在普遍采用的体异质结(bulk hetero junction,BHJ)有机太阳能电池。这种体异质结的结构最早是由Yu和Heeger等率先使用的，电子给体材料和受体材料形成的双连续的互穿结构使激子分离及电子与空穴的收集效率都很大程度上得到提高，载流子的复合几率大大减小，光电转化效率得到了很大 [2]的改善。 1992年，Sariciftci与Heeger等在研究中发现，光诱导产生的电子从共轭聚合物向富勒烯转移的现象，后来证明激子中激发态的电子能极快地(45fs)从共轭聚合物分子注入到分子中，而反向的过程却要慢得多。这是由于是一个很CC6060大的共轭结构，可以对外来的电子起到稳定作用，甚至能够容纳6个电子的得失且不影响其结构。在此发现的基础上，Sariciftci等于1993年制成聚对苯乙烯(PPV)/双层膜异质结太阳能电池，在PPV与的界面上，激子可以以很高的速率CC6060 实现电荷分离，而分离之后的电荷则不容易在界面上发生复合。此后，及其C60衍生物为电子受体、共轭聚合物作为电子给体材料的结构在有机太阳能电池中得到了广泛应用与研究，这就是目前得到广泛研究的共轭聚合物/聚合物太阳能C60 [3]电池。 经过近几十年来的努力，聚合物太阳能电池获得了很大的发展。目前有详细文献报道的通过认证的单层聚合物太阳能电池的最高效率为6.77%. 采用不同共轭聚合物/C共混体系制作的叠层电池也有高效率(6.5%)的报道。同时，在聚60 合物太阳能电池领域的优化研究一直是研究的热点领域。 2.聚合物太阳能电池的工作原理和结构 3 武汉工程大学专科毕业论文 在传统的无机硅光伏电池中，吸收入射太阳光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，然后过外电路完成循环而做功。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。共轭聚合物吸收光子后并不会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。否则，由于激子所具有的高度可逆性，它们可通过发光、弛豫等方式重新回到基态，不产生光伏效应的电能。在没有外加 如何使光敏层产生的激子分离成自由载流子便成为聚合物太阳电场的情况下， [4]能电池正常工作的前提条件。 图1 聚合物太阳能电池内部工作机制 目前所知，电子给体/受体的方式是实现有机光伏电池中激子分离的有效途径。所以，至少要使用两种功能材料(或组分)做光敏层，即电子给体(donor或D)和电子受体(acceptor或A)组成。现在D相材料主要使用的是共轭聚合物，如PPV，聚噻吩和聚芴衍生物，但它们能带间隙比较高。但是最近发现了低能带间隙电子 4 武汉工程大学专科毕业论文 给体材料(噻吩、芴、吡嗪等的共聚物);而常用作A相的材料主要是有机受体 和其衍生物，而纳米ZnO，CdSe及其他无机受体材料以及含有氰基等吸电子C60 基团的共轭聚合物受体材料。所以为了使激子过程得以顺利的进行，就要使所选用电子给体的最低空轨道(LUMO)能级比电子受体的LUMO能级稍高一些，这样，在能量的驱动之下，电子就会由D相的LUMO转移到A相的LUMO上。一般情况下，D相的LUMO能级比A相的LUMO能级高出0.3,0.4eV时就能使激子高效地分离为自由载流子。 图2 具有双层结构的聚合物太阳能电池的结构及其内部激子分离图示 众所周知，光致电子由D相LUMO转移到A相LUMO的过程是非常快的，在100fs内就能完成,甚至于光伏电池中陷阱的捕获速度也会无法与它竞争，因此扩散到D/A界面的激子分离效率几乎达100%.人们已经通过很多实验 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 验证了在D/A界面中的确存有这种光致电荷的快速转移过程。如果在聚对苯撑乙撑(PPV)薄膜中只加入含量为1,的电子受体，初始光电流就会被提高几个数量级;那C60 么，更多的加入，不但会使光致载流子生成的效率得到提高，也会使载流子C60 的寿命得到延长。因此，光致电荷从D相迅速转移到A相的结果，不仅会使聚合物主体D相的载流子产生能力得到增强，而且会通过分离和稳化正负电荷的作用而有效地防止这两种电荷的复合。 这些实验同时也显示聚合物/富勒烯混合膜中 5 武汉工程大学专科毕业论文 的光致极化子是相互独立的。另外，有机半导体中载流子的产生过程不依赖温度， [5]这与Onsager光致载流子模型不同。电子和空穴分离之后，两者通过A相和D相形成的网络效果会分别传输到相对应的电极上，期间会受到比如传输网络路径不完整等因素陷阱阻碍，因此导致载流子迁移率比较低。 图3 聚合物太阳能电池中光伏效应产生过程图解 在聚合物太阳能电池中，光敏层的厚度大都在100nm左右。如果此光敏层能为电子以及空穴提供独立的传输路径，那么自由载流子的再复合率将比Langevin复合低好几个数量级，那么载流子就可以优先通过聚合物层而不会被猝灭掉，表现了载流子密度和迁移率的乘积与温度无关的特性。但是，随着薄膜的厚度增加，当横穿薄膜的时间与诱捕所需的时间大约相同时，nμ就会对温度产生依赖性。载流子在有机薄膜器件中的传输特性可以用具有电场依赖性的空间电荷限制模型很好地描述。但是，在使用纳米棒和共轭聚合物所制成的纳米晶体杂化薄膜中， 检测得到的电导率具有温度依赖性，这就表明，在此类薄膜器件中载流子的传输模式符合热活化模型。当这种跃迁传输发生时，空间电荷效应就显得非常重要了， 那是因为在这种情况下，电子的迁移率与体相传输相比较低。所以为了使纳米棒的高载流子迁移率的潜能发挥出来，就要合成长径比更大的纳米棒，并让它们垂直排列在基底平面上，改善它们与聚合物的内界面以便消除纳米棒表面的陷阱， 从而提高电子的迁移率，使电子更快地传输到电极上。另外，通过利用侧基能和纳米晶体棒的表面形成具有强化学键的聚合物，把聚合物镶嵌在纳米晶体棒上能有效增地使纳米晶体棒和聚合物的分子轨道重叠，为电子的快速传输创造了有利 条件。 6 武汉工程大学专科毕业论文 下面介绍一下聚合物太阳能电池中两种重要的结构: (1) 体相异质结(bulk-heterojunction)。针对D/A双层结构的缺点,把电子给体与电子受体共溶于一种有机溶剂中，然后再通过旋涂等有效方法制成D相和A相相互渗透并各自形成网状连续相的共混薄膜，即是所说的体相异质结。这种结构大大增加了D/A界面的面积, 有效实现了激子分离，从而使能量转的换效率有了 2显著的提高。在强度为10mW/，波长为430nm的单色光照射下，能量转换效cm 率达到5.5%. 到目前为止，在AM1.5G的阳光辐照下，能使基于体相异质结的聚合物太阳能电池的能量转换效率达到4.4%。 (2) 电子给体/受体(D/A)的双层结构。在双层有机太阳能电池中使用D/A 双层结构，第一次在器件中实现了电子给体/受体的激子解离。 在有机半导体中，激子的扩散距离约为10nm，距D/A界面大于10nm的地方产生的激子在还未扩散到该界面之前就已经被陷阱(trap)或其他因素猝灭掉了， 对光电流无作用。因此，如果从激子有效解离的角度来考虑，双层结构器件的光敏层总厚度不应该超过20nm。可是光敏层太薄的话，对太阳光的吸收利用能力就会非常有限。基于以上因素，当今D/A结构的有机光伏电池的能量转换效率很 [6]多 无法超过1%。 3.影响聚合物太阳能电池效率的因素 迄今为止，聚合物太阳能电池的效率还非常低，影响聚合物太阳能电池效率的因素主要有光敏层组分的形貌，光敏层组分对太阳光谱的响应范围，电极的材料和界面，以及材料载流子的迁移率等。 3.1 光敏层组分形貌的影响 在电荷传输的过程中，D/A两相所形成的互穿网络的质量，网络的分布是否充分、是否连续、间隔距离的大小以及D/A相的大小都能影响电荷的传输，从而 [7]影响到整个器件的工作性能。 3.2 光敏层组分对太阳光谱响应范围的影响 目前，已经很好地解决了无机太阳能电池光谱响应的范围和太阳光谱的匹配问题，这也是目前无机太阳能电池转换效率大大高于聚合物太阳能电池的重要因素之一。 光敏层中太阳光谱的吸收程度很大程度上影响着光伏电池的转化效率， 7 武汉工程大学专科毕业论文 因此光敏层响应的范围与太阳光谱不匹配是当前限制聚合物太阳能电池能量转换效率提高的一个重要原因。因此，寻找优质的有机光敏材料就成为目前研究的 [8]一个热点，它更是解决聚合物电池转化效率低的一个突破口。 图4 太阳光在各个波段的能量分布和无机太阳能电池可以利用的光谱范围 3.3 电极材料及界面的影响 有关研究结果显示，在金属阴极和光敏层之间插入一层很薄的LiF(约0.6 nm)后，就能使光敏层和阴极之间形成更加良好的欧姆接触，有利于提高光伏器件的填充因子FF，及稳定开路电压Voc，因此能够提高器件的转换效率。当插入的LiF层过厚时，由于LiF 的电阻系数高，器件的效率会快速下降。用SiOx绝缘夹层进行研究时，发现器件的效率降低了，这说明LiF层对器件效率的影响并非来自绝缘缓冲的作用。由此可以说明，电池材料及其界面的选用和制作质量，直接影响到了电池的光电转换效率。 3.4 材料载流子迁移率的影响 除以上因素外，限制聚合物太阳能电池效率的另一个重要因素就是现在制作 32光敏层所用材料的载流子迁移率(约为?V?s，其中空穴的迁移率更低)与10cm 42传统无机硅晶体中具有?V?s的迁移率相差甚远。较低的迁移率导致电荷10cm [9]在光敏层中复合的机率大大地增加，导致转化效率明显下降。 4.我国聚合物太阳能电池的研究现状 8 武汉工程大学专科毕业论文 近年来随着世界各国对环境问题的重视，将太阳能转换成电能的太阳能电池成为各国科学界研究的热点和产业界开发、推广的重点。相对于无机太阳能电池，聚合物太阳能电池具有成本低、制作工艺简单、重量轻、可制备成柔性器件等突出优点，另外共轭聚合物材料种类繁多、可设计性强，通过材料的改性可以有效地提高太阳能电池的性能。因此，这类太阳能电池具有重要发展和应用前景，成为重要的研究方向。 在科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的支持下，化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室的科研人员与有机固体科研人员合作，最近在共轭聚 [10]合物光伏材料上取得了一系列进展。 在宽带隙聚合物太阳能电池给体材料中，一直以来以MEH-PPV和P3HT等宽带隙材料作为单层或者叠层光伏器件的主要材料。最近，他们设计合成了一种基于并噻唑的宽带隙D-A共聚物，其能量转换效率达到5.2%，为带宽在2.0 eV以上聚合物光电转化效率目前的文献报道最高值。 研究人员还首次将吸电子基团砜基引入到PBDTTT共聚物中合成了聚合物PBDTTT-S，该聚合物具有宽的吸收和较低的HOMO能级，以该聚合物为给体、PCBM为受体的聚合物太阳能电池开路电压达到0.76V, 能量转换效率达到了70 6.22%同时，使用BDT单元的同分异构体BDP单元构建了新的聚合物光伏材料，开路电压高达0.8V、效率达到5.2%. 最近，他们将PBDTTT类聚合物BDT单元上的烷氧基换成噻吩共轭支链，合成了两维共轭的新型聚合物PBDTTT-C-T与带烷氧基取代基的PBDTTT-C相比，PBDTTT-C-T的空穴迁移率显著提高，吸收光谱有所红移并且HOMO能级有所下移，这些都有利于光伏性能的提高。以PBDTTT-C-T为给体、PCBM为受体的70聚合物太阳能能量转换效率达到了7.6%，为目前聚合物给体光伏材料的最高效率 [11]之一，引起国内外学术界甚至工业界的关注。 5.聚合物太阳能电池的优点及发展方向 聚合物太阳能电池一般由共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受体的共混膜夹在ITO透明正极和金属负极之间所组成，具有结构和制备过程简单、成本低、重量轻、可制备成柔性的器件等突出优点，近年来成为国内外研究热点。 9 武汉工程大学专科毕业论文 尽管聚合物太阳能电池的研究取得了重大进展，获得了较高的开路电压，但聚合物太阳能电池同目前应用领域占主导地位的无机太阳能电池相比，其主要问题仍然是光电能量转换效率较低，较低的填充因子(Fill factor)及短路电流限制光电能量转换效率。较低的光电流是由于较低的光吸收以及光电流产生和传输中 [12] 的较大损耗造成的，而低的填充因子则是由于低的电荷传输和高的复合所致。 因此目前各国研究人员的研究方向大多数集中在: (1)改善光吸收，主要是使用具有近红外或者红外吸收的聚合物或染料; (2)改善光电流的产生，使用具有高流动性聚合物及高有序相的液晶材料; (3)使用具有高迁移率的无机纳米材料; (4)器件制备过程的优化与稳定性的探索; (5)对聚合物光伏器件物理理论及实验技术的探索。 聚合物固体薄膜太阳能电池器件的优化工作可通过器件物理的进一步优化来实现: (1)通过选择合适的金属电极使之达到欧姆接触，有效地收集光生载流子; (2)优化D/A的匹配，并调整共轭聚合物的带隙使之能更好地吸收太阳光; (3)优化相分离复合材料的网络形态来提高载流子的产生和传输效率，同时要求电荷载流子在复合体异质结的不同组分中吸收和迁移达到最大。 10 武汉工程大学专科毕业论文 参考文献 [1] 段晓菲，王金亮，裴坚等.有机太阳能电池材料的研究进展[J].大学化学，2005,20(3):1,9. [2] 侯宪冰，马晓燕，朱小波.聚合物太阳能电池给体材料研究进展[J].高分子通报，2012,(1):88,95. [3] 李凤英，徐菊华.衍生物的光电导性能研究[J].科学通报,1998,43(17):1817,C60 1820. [4] Bässler H. Nondispersive and dispersive transport in random organic photoconductors[J]. 1994, 252(12): 11,21. Molec Crys Liq Crys Sci Technol Sec A, [5] 杨英歌，周海，王爽等.聚合物在太阳能电池材料中的应用[J].北京石油化工学院材料科学，2001,26(6):45,51. [6] 封伟，高中扩.有机光伏电池物理性能的模拟[J].物理学报，2008,57(4):2567,2573. [7] 张智，向军辉，赵福群.染料分子结构对光伏器件性能的影响[J].化学通报，2006,(3):173,178. [8] 於黄忠，彭俊彪.MEH-PPV与PCBM共混体系光电中电荷传输及性能与光强的关系[J].高等学校化学学报，2007,(12):2359,2363. [9] 赵军，石静丹，胡国华等.聚合物太阳能电池用共混物体系的相行为[R].北京:北京科技大学化学与生物工程学院高分子科学与工程系，2011:1,6. [10] 路胜利，刘宽，赵福群.聚合物太阳能电池材料的研究进展[J].高分子材料科学与工程，2005,21(4):1,4. [11] 张力，张秋禹.窄带隙高分子光伏材料[J].化学通报，2006,69(5):294,305. [12] 王勇.聚合物太阳能电池的机理及实验研究[D].北京:北京交通大学，2011:3,11. 11 武汉工程大学专科毕业论文 致 谢 本论文是在导师林茹副教授的悉心指导下完成的。教授渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。本论文从选题到完成，每一步都缺少不了导师的细心帮助。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢～ 本论文的顺利完成，离不开各位老师、同学和朋友的关心和帮助，在此表示深深的感谢。没有他们的帮助和支持是没有办法完成我的学士学位论文的，同窗之间的友谊长存。 12