体相异质结太阳能电池形貌的模拟

【摘要】：聚合物太阳能电池的光活性层的形貌是影响其性能的重要因素之一。目前最先进的优化制备工艺还是局限于试验-失败的实验研究方法。因为无法通过实验手段观测到溶液旋涂成膜时形貌的演变过程，从而阻碍了对不同工艺、体系变量对形貌的作用进行量化。 首先，我们结合原子模拟和介观动力学模拟（Mesodyn），成功地预测了体异质结聚合物太阳能电池的形貌和动态变化。模拟结果表明相分离程度随温度的提高而增加是热处理可以提高BHJ聚合物太阳能电池的能量转换效率主要原因。同时得出当PCBM的体积含量在0.3~0.5范围内，即重量百分含量在0.41~0.62范围内，体系才能形成理想的形貌。我们系统地改变χ值，预测了形貌，发现χ1是体系成功相分离成有效形貌的必要条件。 接着，我们又采用了耗散粒子动力学的模拟方法（DPD），预测了基于溶液旋涂成膜过程、薄膜热处理以及对存在工艺添加剂条件下的形貌演变过程。模拟结果表明：随着溶剂的不断挥发，体系中聚合物与富勒烯分子之间的相分离程度不断增强；对两组分的混合物加热，可发生明显的相分离，这与原位电子透射电镜实验结果一致；添加剂在旋涂过程后期起着促使某一组分发生相聚集的作用，从而增加了相分离的程度。此外，一些影响形貌的参数也作了讨论，如热处理温度，组分混合比例，珠子间的Flory-Huggins相互作用参数。 【关键词】：聚合物太阳能电池 形貌 介观动力学 耗散粒子动力学 模拟
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-5
• Abstract5-8
• 第一章 绪论8-20
• 1.1 聚合物太阳能电池的简介和研究进展8-16
• 1.1.1 聚合物太阳能电池结构及工作原理9-10
• 1.1.2 几种常见的聚合物太阳能电池给体材料10-11
• 1.1.2.1 聚噻吩（PT）衍生物10
• 1.1.2.2 聚对苯乙烯(PPV)衍生物10-11
• 1.1.2.3 窄带隙聚合物11
• 1.1.3 形貌优化和控制在器件方面的重要性11-16
• 1.1.3.1 形貌的热力学起源12-14
• 1.1.3.2 退火处理14-15
• 1.1.3.3 溶剂选择15-16
• 1.1.3.4 混合溶剂（工艺添加剂）16
• 1.2 计算机模拟在高分子材料科学中的应用16-18
• 1.2.1 计算机模拟在材料科学方面的重要性17-18
• 1.2.2 高分子材料的多尺度模拟18
• 1.3 本论文的研究目的和内容18-20
• 第二章 高分子材料模拟方法简介20-31
• 2.1 含电子自由度模型和量子力学方法20
• 2.2 原子模型及计算机模拟方法20-24
• 2.2.1 分子动力学方法（Molecular Dynamics）21-22
• 2.2.2 布朗动力学（Brownian Dynamics）22
• 2.2.3 蒙特卡洛（Monte Carlo）22-24
• 2.3 粗粒化的分子和介观模型及其模拟方法24-25
• 2.4 基于场的介观模型及介观动力学25-28
• 2.5 基于粒子的介观模型及其模拟方法28-30
• 2.6 流体和连续力学模型-宏观模拟方法30
• 2.7 本章小结30-31
• 第三章 MESODYN 对 POLYMER/FULLERENE 类共混物形貌的研究31-41
• 3.1 引言31
• 3.2 模型粗粒化及其参数化31-32
• 3.3 使用分子动力学（MD）获取溶度参数32-34
• 3.3.1 计算细节32-33
• 3.3.2 MD 计算结果：溶度参数33-34
• 3.4 BHJ 聚合物太阳能电池形貌随时间演变过程34-35
• 3.5 温度对形貌的影响35-37
• 3.6 混合比例对形貌的影响37-38
• 3.7 Flory-Huggins 相互作用参数对形貌的影响38-40
• 3.8 小结40-41
• 第四章 基于 P3HT/PCBM 聚合物太阳能电池光活性层的耗散粒子动力学（DPD）模拟41-55
• 4.1 分子粗粒化模型41-42
• 4.2 模拟参数的确定42-43
• 4.2.1 采用溶度参数计算 Flory-Huggins 作用参数42
• 4.2.2 其他输入参数42-43
• 4.3 介观分子成键的伸缩刚性(stretching rigidity)对形貌的影响43-44
• 4.4 介观分子键角的刚性（stiffness）对形貌的影响44-46
• 4.5 溶剂蒸发过程中的形貌演变46
• 4.6 热处理过程中的形貌演变46-47
• 4.7 热处理温度对形貌的影响47-49
• 4.8 组分混合比例对形貌的影响49-50
• 4.9 珠子间相互作用力对平衡态形貌的影响50-51
• 4.10 添加剂对形貌的影响51-54
• 4.11 小结54-55
• 总结55-56
• 参考文献56-66
• 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文66-67
• 致谢67-68

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