聚合物太阳能电池中光吸收增强效应的研究

【摘要】：聚合物太阳能电池因其可溶液成膜的制备工艺、可弯曲和大面积成膜的优势及光学吸收波长的可调谐性等,对于新能源的开发和应用具有重要意义和潜在价值。聚合物太阳能电池的光学吸收效率决定了器件的能量转化效率,如何增强电池的光学吸收已成为该研究领域内的一个研究方向而受到越来越广泛的关注。本研究工作以此为出发点,以传统P3HT:PCBM体系聚合物太阳能电池为研究对象,以光学电磁场理论和光电转换模型为依据,通过优化功能层厚度、光学间隔层厚度、采用叠层器件结构、光栅结构以及基于等离子体局域场增强作用等来实现聚合物太阳能电池的光吸收增强。论文结合FDTD和RCWA数学计算,深入研究了聚合物太阳能电池器件的制备工艺、聚合物薄膜的光学常数和厚度测定、特殊器件结构的光电场分布及器件光学与光电性能。 论文从光学电磁理论和光电转换与载流子输运过程两方面对聚合物太阳能电池光生电流的物理机制进行论述。由光学传递矩阵推导出聚合物太阳能电池内光电场分布、反射与透射的计算表达式；以Onsager-Braun模型、漂移-扩散理论和空间电荷限制电流(SCLC)模型为理论依据,定性地描述了聚合物太阳能电池吸收光子并产生电流的物理过程,并详细推导了激子分离概率、净电荷产生率、光生电流与电压的数学方程。 基于材料的F-B色散模型,通过对反射(透射)光谱拟合法测定了实际制备的聚合物太阳能电池中几种常用功能薄膜的光学常数(包括折射率和消光系数)和厚度。研究分析了不同制备工艺对薄膜光学常数的影响,特别是退火导致P3HT:PCBM薄膜的表面粗糙度上升,从而引起的可见光波段折射率和消光系数明显增加的现象。 基于光学传递矩阵法并结合激子分离概率函数,优化了单层体异质结聚合物太阳能电池的功能层厚度。理论和实验结果表明：在器件结构为ITO(100nm)/PEDOT:PSS(40nm)/P3HT:PCBM/LiF(lnm)/Al(120nm)时,功能层最优厚度约为100nm左右；通过加入高折射率的TiO2光学间隔层,在不降低光子吸收的条件下,使最优厚度进一步变薄：即当TiO2为10nm时,功能层最优厚度降低为75 nm左右；为了进一步拓宽聚合物太阳能电池对太阳光的吸收光谱范围,采用有机小分子功能层A1C1Pc：C60和P3HT：PCBM并联的器件结构,基于FDTD方法对结构为ITO(100nm) /AlClPc:C60(5nm)/NiO(15nm)/ITO(60nm)/PEDOT:PSS(40nm)/P3HT:PCBM(100nm)/LiF(1nm)/Al(120nm)的叠层器件的理论分析表明：器件在近红外光谱区780 nm～900nm的光学吸收仍有20%左右,采用该叠层器件结构有效地增强了电池对太阳光中780nm-900 nm近红外光谱区的光吸收。 研究了利用Ag纳米颗粒的等离子体局域场加强效应增强聚合物太阳能电池器件功能层对光的吸收。利用FDTD方法研究了银纳米颗粒在聚合物太阳能电池中不同的包围层介质内的光电场分布,分析了银纳米颗粒对聚合物功能层的吸收增强作用。采用物理沉积后处理的方法制备了银纳米颗粒,制备了相应的聚合物太阳能电池,并测试了不同包围层介质的Ag等离子体器件的外量子效率,实验证明：加入Ag纳米颗粒后的器件明显比参考器件的外量子效率要高,并以NiO作为包围层介质的聚合物太阳能电池的外量子效率为最高。 研究了亚微米光栅结构对聚合物太阳能电池的光学吸收增强作用,采用了微压印技术：利用CD光盘作模板并采用热固化柔性硅橡胶PDMS作为印章,在空穴传输层PEDOT:PSS表面制作了最小周期为1.6μm的亚微米尺度光栅结构。借助于FDTD和RCWA数学工具,分析了器件内光电场分布,以及不同深度和占空比的光栅结构对器件光学吸收的影响。理论分析表明：PEDOT:PSS上引入光栅能够改善聚合物功能层P3HT:PCBM以及整个器件的光学吸收。当光栅周期为1 um时,光栅深度10 nm以及较小的占空比会增强器件的光学吸收。并从实验上验证了光栅结构对器件性能的改善。 【关键词】：聚合物太阳能电池 光学常数 时域有限差分 等离子体 微压印
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-10
• 常用英文缩写注释表10-11
• 目录11-14
• 1 绪论14-30
• 1.1 聚合物太阳能电池的研究进展15-23
• 1.1.1 发展历史15-18
• 1.1.2 器件结构18-19
• 1.1.3 基本原理19-20
• 1.1.4 性能表征20-23
• 1.2 聚合物太阳能电池的光吸收增强23-25
• 1.2.1 级联结构太阳能电池24
• 1.2.2 光学间隔层增强型太阳能电池24
• 1.2.3 光子晶体太阳能电池24-25
• 1.2.4 金属等离子体太阳能电池25
• 1.2.5 陷光结构太阳能电池25
• 1.3 本文主要研究内容和创新意义25-27
• 参考文献27-30
• 2 聚合物太阳能电池光学与半导体性质30-48
• 2.1 引言30
• 2.2 电池内的光学电磁理论30-36
• 2.2.1 共轭聚合物的光学常数30-31
• 2.2.2 光学常数拟合31-34
• 2.2.3 光学传递矩阵34-36
• 2.3 器件内的光电转换与载流子输运过程36-41
• 2.3.1 Onsager-Braun模型37-38
• 2.3.2 漂移-扩散理论38-39
• 2.3.3 空间电荷限制电流(SCLC)39-41
• 2.4 仿真分析工具41-45
• 2.4.1 严格耦合波分析(RCWA)41-43
• 2.4.2 时域有限差分方法(FDTD)43-45
• 2.5 本章小结45
• 参考文献45-48
• 3 聚合物太阳能电池的制备与表征48-63
• 3.1 引言48
• 3.2 实验用到的电池材料48-51
• 3.2.1 聚合物功能层材料48-51
• 3.2.2 空穴传输层材料51
• 3.3 聚合物太阳能电池的制备51-55
• 3.3.1 ITO基片的刻蚀与清洗52
• 3.3.2 阳极缓冲层的旋涂52-53
• 3.3.3 聚合物功能层的旋涂53
• 3.3.4 阴极蒸镀和封装53-55
• 3.4 性能测试55-56
• 3.4.1 伏安特性55
• 3.4.2 量子转化效率55-56
• 3.5 半导体聚合物薄膜的光学常数测试56-60
• 3.5.1 薄膜材料及其反射光谱测量56-57
• 3.5.2 测试结果与讨论57-59
• 3.5.3 制备工艺对薄膜光学常数的影响59-60
• 3.6 本章小结60
• 参考文献60-63
• 4 聚合物太阳能电池的厚度优化63-76
• 4.1 引言63
• 4.2 单层体异质结太阳能电池厚度优化63-69
• 4.2.1 功能层厚度优化63-66
• 4.2.2 光学间隔层厚度优化66-69
• 4.3 叠层太阳能电池的厚度优化69-73
• 4.3.1 功能层材料光学特性69-70
• 4.3.2 器件结构70-71
• 4.3.3 理论模拟分析71-73
• 4.4 本章小结73
• 参考文献73-76
• 5 等离子体增强型聚合物太阳能电池性能研究76-89
• 5.1 引言76-77
• 5.2 金属等离子体局域场增强理论77-78
• 5.3 器件制备78-81
• 5.3.1 银纳米层的制备79-80
• 5.3.2 其它膜层的制备80-81
• 5.4 器件测试与结果分析81-86
• 5.4.1 银纳米层对光电场影响81-83
• 5.4.2 器件电学性能分析83-84
• 5.4.3 包围介质对等离子体场增强的影响84-86
• 5.5 本章小结86-87
• 参考文献87-89
• 6 光栅结构的聚合物太阳能电池研究89-100
• 6.1 引言89
• 6.2 光栅的微压印制备89-93
• 6.2.1 PDMS印章制备90-92
• 6.2.2 PEDOT:PSS光栅结构的制备92-93
• 6.3 光栅结构器件的数值分析与实验结果93-97
• 6.3.1 光栅器件光学吸收分析93-96
• 6.3.2 器件测试结果96-97
• 6.4 本章小结97
• 参考文献97-100
• 7 总结与展望100-102
• 作者简历102
• 攻读博士学位期间发表的文章102

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