使可溶液加工的疊層充電機(jī)充電太陽能電池低帶隙共軛聚合物
2017-8-6 11:15:21??????點(diǎn)擊：
【引言】
聚合物有機(jī)光伏（OPV）充電機(jī)充電電池技術(shù)在過去十年中取得了十足的進(jìn)步，電力轉(zhuǎn)換效率從僅僅幾個(gè)百分點(diǎn)提高到12％左右，穩(wěn)定性從幾小時(shí)增加到幾年。在這一進(jìn)展中，重要的里程碑之一是發(fā)明了紅外吸收低帶隙聚合物，其允許OPV充電機(jī)充電電池形成高效疊層結(jié)構(gòu)用于從太陽光譜收集近紅外能量。
近日，來加州大學(xué)洛杉磯分校的李剛和Yang Yang（共同通訊）等人以“Low-bandgap conjugated polymers enabling solution-processable tandem solar cells”為題在Nature Reviews Materials上發(fā)表綜述文章。本綜述專注于低帶隙共軛聚合物和由這些低帶隙聚合物制備的疊層OPV充電機(jī)充電電池的研究。綜述覆蓋了基于聚合物的疊層充電機(jī)充電太陽能電池、將聚合物與氫化非晶硅結(jié)合的雜化疊層充電機(jī)充電太陽能電池和非常規(guī)充電機(jī)充電太陽能電池。并針對(duì)于這些充電機(jī)充電技術(shù)提出對(duì)未來發(fā)展的一些看法。
1 簡(jiǎn)介
第一次觀察到充電機(jī)充電液體電池中的光伏效應(yīng)是在十九世紀(jì)。在開發(fā)肖特基勢(shì)壘器件和p-n連接器件之前，需要很長(zhǎng)時(shí)間才能制造出先進(jìn)充電機(jī)充電技術(shù)器件。在1954年貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了現(xiàn)代硅充電機(jī)充電太陽能電池之前，科學(xué)家經(jīng)歷了整整一個(gè)世紀(jì)的失敗。用于表征充電機(jī)充電太陽能電池性能的主要指標(biāo)是功率轉(zhuǎn)換效率（PCE），最大理論效率由Shockley-Queisser極限定義。這種熱力學(xué)平衡預(yù)測(cè)了在AM1.5G 1太陽照明下單結(jié)光伏充電機(jī)充電電池的最佳帶隙為?1.4eV，最大效率為?31％。 除了優(yōu)化帶隙之外，人們還提出了良好的充電機(jī)充電太陽能電池材料必須具有很強(qiáng)的光致發(fā)光效率。在此設(shè)計(jì)規(guī)則的基礎(chǔ)上，2012年單結(jié)GaAs充電機(jī)充電太陽能電池的PCE已經(jīng)高達(dá)28.8％。
盡管充電機(jī)充電技術(shù)上了成功，但光伏能源僅占能源結(jié)構(gòu)的一小部分（在美國(guó)約為0.2％）。光伏市場(chǎng)正在快速增長(zhǎng)，2016年底累計(jì)安裝的光伏發(fā)電量達(dá)到300多億瓦（僅2016年安裝約25％），能夠提供世界總用電量的1.8％。目前，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)以有機(jī)晶體硅光伏發(fā)電為主，占據(jù)了大約90％的市場(chǎng)份額。硅基充電機(jī)充電技術(shù)的主要瓶頸之一是其安裝費(fèi)用昂貴耗時(shí)。為了克服這個(gè)問題和其他一些充電機(jī)充電技術(shù)和環(huán)境問題，科學(xué)界正在開發(fā)下一代充電機(jī)充電技術(shù)。
有機(jī)光伏（OPV）充電機(jī)充電技術(shù)由于合成多功能性，低溫加工性，低材料利用率，低重量和形狀靈活等特點(diǎn)在過去十年中引起了人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。有機(jī)和聚合物半導(dǎo)體是與諸如Si或GaAs等晶體半導(dǎo)體具有不同半導(dǎo)體性質(zhì)的碳基材料。有機(jī)材料具有較小的介電常數(shù)，這使得它們比自由載流子半導(dǎo)體更具激發(fā)性。同時(shí)，紅外線吸收低帶隙聚合物的發(fā)明使研究方向能夠轉(zhuǎn)移到疊層充電機(jī)充電太陽能電池的構(gòu)筑上，這一概念已被無機(jī)光伏領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
圖1 發(fā)現(xiàn)和開發(fā)充電機(jī)充電太陽能電池有機(jī)聚合物的簡(jiǎn)要時(shí)間表
2 有機(jī)半導(dǎo)體和充電機(jī)充電太陽能電池
有機(jī)和聚合半導(dǎo)體是分子之間具有弱范德華鍵的離散分子。這種材料的結(jié)構(gòu)由碳sp2軌道之間形成的σ鍵和殘留碳pz軌道平行重疊形成的π鍵產(chǎn)生。對(duì)于一個(gè)小分子如乙烯或1,3-丁二烯，π鍵（π）和π反鍵（π*）之間的分裂很大。隨著碳pz軌道的重疊增加（例如，通過乙烯分子的聚合），π鍵進(jìn)一步擴(kuò)展到π帶。最高的π帶被稱為最高占據(jù)分子軌道（HOMO），最低的π*帶被稱為最低未占據(jù)的分子軌道（LUMO）。HOMO和LUMO之間的能量差決定了所得分子或聚合物的帶隙（Eg）。一旦重復(fù)單元足夠大，則軌道的分裂可以使HOMO和LUMO彼此更接近，并且因此帶隙減小，接近紫外線或可見光的能量。有機(jī)半導(dǎo)體中的分子間相互作用是相對(duì)較弱的范德華力和π-π相互作用。因此，電子通過跳躍機(jī)制傳輸，并且電荷載流子遷移率比無機(jī)晶體半導(dǎo)體的數(shù)量級(jí)低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
圖2 有機(jī)半導(dǎo)體和供體-受體聚合物的原理
3 可溶液加工的疊層充電機(jī)充電太陽能電池
Shockley-Queisser假設(shè)中有兩個(gè)主要的損失。首先是半導(dǎo)體帶邊緣以外的低能光子光學(xué)損失。其次是能量比帶隙更高的光子將熱松弛，多余的能量通過熱化損失。使這兩個(gè)基本損耗最小化的最有效方法是采用多結(jié)或疊層結(jié)構(gòu)，由多個(gè)具有不同帶隙的半導(dǎo)體組成，以確保更好地覆蓋太陽光譜。 在這種設(shè)計(jì)中，每個(gè)半導(dǎo)體負(fù)責(zé)窄帶吸收，從而降低熱損失。
在傳統(tǒng)的多結(jié)充電機(jī)充電電池中，子充電機(jī)充電電池通過隧道結(jié)互連，提供低電阻連接。隧道結(jié)具有重?fù)诫s的p-n結(jié)（p++n++結(jié)）的結(jié)構(gòu)，其具有與兩個(gè)子充電機(jī)充電電池方向相反的方向，使得其產(chǎn)生與由子充電機(jī)充電電池產(chǎn)生的相同方向的光電壓。由于重?fù)诫s，隧道結(jié)的空間電荷區(qū)非常狹窄。在小的正向偏壓或任何反向偏壓下，當(dāng)電流穿過窄空間電荷區(qū)域時(shí)，隧道二極管的行為就像一個(gè)電阻。在足夠大的正向偏壓下，當(dāng)電流超過閾值隧穿電流時(shí)，熱電子發(fā)射支配隧道二極管。閾值隧道電流必須大于疊層充電機(jī)充電電池的光電流。
4 聚合物-聚合物疊層充電機(jī)充電太陽能電池
第一個(gè)雙端子雙結(jié)充電機(jī)充電太陽能電池是基于GaInP和GaAs作為子充電機(jī)充電電池的。P3HT（1.9eV）具有與GaInP（1.85eV）相似的大帶隙，加工容易且易控制，這使得P3HT成為聚合物疊層充電機(jī)充電電池的有前途的結(jié)構(gòu)。高品質(zhì)的低帶隙聚合物，特別是上一節(jié)提到的低帶隙聚合物，是在P3HT之后研發(fā)出來的，并且在可溶液加工的OPV器件的開發(fā)方面取得了巨大進(jìn)步。
4.1 常規(guī)疊層聚合物充電機(jī)充電太陽能電池
傳統(tǒng)的充電機(jī)充電太陽能電池結(jié)構(gòu)使用透明導(dǎo)電氧化物作為天然的陽性接觸。2006年，疊層聚合物充電機(jī)充電電池被證明具有與無機(jī)疊層充電機(jī)充電電池相似的互補(bǔ)吸收。雖然聚合物是可溶液加工的，但是疊層OPV充電機(jī)充電電池中的互連層也需要盡可能可溶解處理以允許低成本制造。具有高功函數(shù)和加工優(yōu)勢(shì)的聚（3,4-亞乙基二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸酯（PEDOT：PSS）是許多早期疊層聚合物OPV器件的選擇。氧化鈦（TiOx）， 氧化鋅（ZnOx）和其他通過溶膠-凝膠化學(xué)產(chǎn)生的n型無機(jī)金屬氧化物與溶液處理兼容，是互連層n型側(cè)的良好選擇。
4.2 反相疊層聚合物充電機(jī)充電太陽能電池
在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相反，“反相”聚合物充電機(jī)充電太陽能電池使用n型界面層來改變透明導(dǎo)電氧化物電極的高固有功函數(shù)，使得其可以實(shí)現(xiàn)相反的極性。早期演示包括使用過渡金屬氧化物作為p型界面層，Cs2CO3用作n型層; 并且使用ZnO作為透明導(dǎo)電氧化物改性層和銀電極作為陰極。反相聚合物充電機(jī)充電太陽能電池的概念被廣泛接受，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)能夠除去活性金屬，這大大提高了充電機(jī)充電太陽能電池的穩(wěn)定性。反向疊層OPV結(jié)構(gòu)也已擴(kuò)展到基于非富勒烯受體的OPV領(lǐng)域。使用N2200聚合物作為受體和基于BDT的供體聚合物P2F-DO，開發(fā)了具有6.7％的PCE（與單結(jié)裝置的4.7％相比）的反相同型疊層聚合物充電機(jī)充電電池。
4.3 聚合物 - 無機(jī)雜化疊層充電機(jī)充電電池
聚合物充電機(jī)充電太陽能電池的涂層加工可以在室溫下進(jìn)行，使其成為形成雜化疊層充電機(jī)充電太陽能電池有力的競(jìng)爭(zhēng)者。氫化非晶硅（a-Si：H）充電機(jī)充電電池具有悠久的歷史和久經(jīng)考驗(yàn)的工業(yè)記錄，其Voc高達(dá)?0.92V，填充率高。a-Si：H的帶隙為?1.7eV（即吸收至?750nm），主要吸收波長(zhǎng)在650nm以下。這與GaInP或P3HT的寬帶隙子充電機(jī)充電電池相當(dāng)，因此可能適用于疊層充電機(jī)充電電池。然而，單結(jié)a-Si：H充電機(jī)充電太陽能電池的效率在平坦基板上通常<6％，而具有高度紋理配置的則<10％。各種疊層聚合物充電機(jī)充電太陽能電池，含有低帶隙聚合物的各種混合疊層充電機(jī)充電太陽能電池。
5 非常規(guī)應(yīng)用
低帶隙聚合物也對(duì)非常規(guī)充電機(jī)充電太陽能電池有利。其中一個(gè)例子是多組分BHJ充電機(jī)充電電池，特別是那些具有一個(gè)受體（即三元OPV）兩個(gè)供體的BHJ充電機(jī)充電電池。具有不同性質(zhì)（如帶隙，能級(jí)和分子取向）的許多高性能供體材料的可用性是實(shí)現(xiàn)多組分BHJ概念的主要驅(qū)動(dòng)力。小分子，染料，聚合物或量子點(diǎn)可用作附加組分。附加組分可以改善電荷和能量轉(zhuǎn)移并且可以獨(dú)立地工作（即，“并行”）或以電子方式耦合。多組分BHJ OPV的早期努力證明了這一觀點(diǎn)，但效率仍然很低。然而，最近開發(fā)了PCE為10％的三元雙重聚合物給體充電機(jī)充電太陽能電池。理論上，三元系統(tǒng)受到單結(jié)充電機(jī)充電太陽能電池的Shockley-Queisser極限的限制。然而，使用各種不同材料的可能性提供了實(shí)現(xiàn)更高PCE的機(jī)會(huì)。但對(duì)于提高對(duì)OPV系統(tǒng)復(fù)雜性的理解，研究界還有很長(zhǎng)的路要走。
6 總結(jié)與展望
低帶隙聚合物，包括單結(jié)和混合聚合物疊層以及非常規(guī)結(jié)構(gòu)在OPV充電機(jī)充電技術(shù)的發(fā)展中已經(jīng)非常重要。 然而，研究者仍然需要付出巨大的努力才能使充電機(jī)充電技術(shù)滿足工業(yè)需求。 最顯著的是，在器件性能方面，與其他充電機(jī)充電技術(shù)相比，OPV器件處于劣勢(shì)。總之，OPV充電機(jī)充電技術(shù)面臨著巨大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。充電機(jī)充電技術(shù)的最終方向可能是現(xiàn)有的一種以上的充電機(jī)充電技術(shù)，特別是可打印的充電機(jī)充電光電技術(shù)的結(jié)合。但進(jìn)展令人鼓舞，預(yù)計(jì)未來幾年將有突破。
- 上一篇：電解質(zhì)助力安全綠色長(zhǎng)壽的水系充電機(jī)充電鈉離子電池 2017/8/6
- 下一篇：二維材料的調(diào)控策略助力充電機(jī)充電鋰電池發(fā)展 2017/8/6
