發(fā)布時(shí)間：2021-11-02 12:03

　　全球?qū)δ茉葱枨蟮牟粩嘣黾?化石能源的持續(xù)減少以及長(zhǎng)期使用帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題讓人類(lèi)陷入了能源危機(jī),迫使政界、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界轉(zhuǎn)向投資和開(kāi)發(fā)可持續(xù)替代能源。用之不竭的太陽(yáng)能是目前能預(yù)見(jiàn)到的解決能源危機(jī)的希望之一。雖然目前傳統(tǒng)的硅基電池在太陽(yáng)能光伏電池市場(chǎng)上占據(jù)統(tǒng)治地位,但它高昂的制造成本使得科學(xué)家們開(kāi)始尋找新的更優(yōu)的材料和器件設(shè)計(jì)。近些年新興的新型太陽(yáng)電池領(lǐng)域主要有鈣鈦礦太陽(yáng)電池（PSCs）、有機(jī)太陽(yáng)電池（OPVs）、染料敏化太陽(yáng)電池（DSSCs）、量子點(diǎn)太陽(yáng)電池（QDSSCs）等。這些電池普遍具有低成本、易制備以及可以制成柔性器件等特點(diǎn),相較于晶硅電池和銅銦鎵硒（CIGS）薄膜電池等具有一定的優(yōu)勢(shì)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,這些新興器件的效率也得到了迅速的提升。例如量子點(diǎn)敏化電池現(xiàn)在已經(jīng)突破了13%的轉(zhuǎn)化效率,而更讓人欣喜的是,鈣鈦礦電池在實(shí)驗(yàn)室條件下的效率已經(jīng)達(dá)到22.1%,成為了太陽(yáng)電池領(lǐng)域當(dāng)今最耀眼的明星,并且有可能引領(lǐng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)界的新方向。特別是在氧化物襯底（ZnO、TiO₂、SnO₂和Ni_xO等）結(jié)構(gòu)和材料的發(fā)展的促進(jìn)下,新型... 

【文章來(lái)源】：上海交通大學(xué)上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

美國(guó)可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（NREL）公布的各年度各類(lèi)電池效率最優(yōu)效率表

上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文 第一章 緒論料等�？v觀 OPVs 器件的發(fā)展歷史，器件的進(jìn)步與光吸收材料的設(shè)計(jì)和加工方面的突破密不可分。OPV 電池的光伏過(guò)程與無(wú)機(jī)材料電池光伏過(guò)程極不相同。在無(wú)機(jī)材料中，吸收超過(guò)禁帶寬度能量的光子后，激發(fā)的電子空穴對(duì)會(huì)在p-n結(jié)處產(chǎn)生的電場(chǎng)中發(fā)生分離，并分別傳導(dǎo)到各自電極。而典型的有機(jī)光伏材料的介電常數(shù)通常比較低，使得電子空穴對(duì)之間庫(kù)侖力不容易被破壞。這就導(dǎo)致了在光吸收層上產(chǎn)生的是激子或者以庫(kù)侖力結(jié)合的電子空穴對(duì)，而不是自由電荷載流子。為了使這些激子能夠在外電路中循環(huán)，他們就需要首先分離成可移動(dòng)的自由載流子。如果激子在激子壽命期間不能夠被分離，激子就會(huì)衰退回基態(tài)，以熱能或者光能的形式消耗掉。在 OPVs 中，激子的分離依賴于雙組份系統(tǒng)的存在，雙組份系統(tǒng)包括與 p-n 結(jié)相類(lèi)似的電子給體和電子受體兩種組份。電子給體通常具有較大的電離勢(shì)，而電子受體具有較高的電子親和力。

包括了銅鈦菁（給體 D）和苝四羧酸衍生物（受體 A）兩種材料。在這種情況下，由于兩種材料本質(zhì)上電子親和能和離子電勢(shì)的不同，激發(fā)的電子空穴對(duì)在兩種材料所構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)（界面）處能夠發(fā)生了分離。引入雙組份激發(fā)層后，破紀(jì)錄的將轉(zhuǎn)化效率提升到了 1%。這個(gè)工作為其他給體/受體結(jié)構(gòu)的 OPV 電池結(jié)構(gòu)打下了基礎(chǔ)。目前來(lái)說(shuō)，主要的研究工作集中在對(duì) OPV 電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、給體/受體材料的選擇，以及給體受體材料組合成的激發(fā)層形貌的調(diào)控。OPV 電池結(jié)構(gòu)中，經(jīng)典的塊體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)（BHJ）電池是將電子給體/受體所組成的激發(fā)層和正、負(fù)極材料制備成三明治結(jié)構(gòu)，光激發(fā)產(chǎn)生的電子和空穴會(huì)分別傳輸?shù)秸龢O和負(fù)極中與外電路形成環(huán)路。目前，主流的三種 OPV 電池結(jié)構(gòu)包括了 BHJ 和其衍生結(jié)構(gòu)（如圖 1-3 所示），每種結(jié)構(gòu)對(duì)于 OPV 電池領(lǐng)域走向市場(chǎng)都有持續(xù)的研究意義。正結(jié)構(gòu)擁有易制備、研究成熟等特性；倒結(jié)構(gòu)具有更高的穩(wěn)定性并且容易制備成柔性電池；而疊層結(jié)構(gòu)的電池具有更高的效率（達(dá)到 12%）。在結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，對(duì)各層材料的開(kāi)發(fā)和優(yōu)化對(duì)于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效的 OPV 電池顯得更具有意義。


本文編號(hào)：3471947