聚合物太阳能电池光电性能参数优化研究

【摘要】：聚合物太阳能电池具有易于面积集成、可制作在柔性基底上、器件制作工艺简单、成本低廉、还可以调整电子带隙、生产过程无污染等优势,成为当今的研究热点之一。Science最新报道,实验室的世界最高效率已经达到9.2%,相比实验研究取得的巨大成就,人们对利用有机太阳能电池工作的物理机理来编制仿真软件,仿真出最佳理论值这方面明显不足,这制约了有机太阳能电池性能的提高。本论文针对聚合物太阳能电池的机理编制出一套仿真软件系统,并在此基础上进行了优化器件结构的实验研究,旨在提高器件光电转换效率。基于此,本论文做了如下工作: 第一,以聚合物太阳能电池为模型,进行理论分析、模拟研究。对聚合物太阳能电池光电转换过程:光吸收产生激子、激子分离形成载流子、载流子传输和收集,进行软件模拟分析。利用VC++软件编制出一套仿真软件系统,同时采用了太阳能电池的等效电路,模拟聚合物太阳能电池的输出特性。 本论文对激子的产生、载流子的传输、理论模型的建立、仿真的方法和仿真软件界面,都做了详细的阐述。同时,对仿真值与实验结果做了对比,实验值:开路电压(Voc) 0.66V,短路电流(Jsc) 5.72mA/cm2,填充因子(FF) 0.36以及光电转换效率(ηp) 1.86%;仿真值:开路电压(Voc) 0.75V,短路电流(Jsc) 9.82mA/cm2,填充因子(FF) 0.45以及光电转换效率(ηp) 3.26%。由于软件系统中参数设置理想化等因素是产生的差别的原因。由于有机材料的价格比较昂贵,我开发的有机太阳能电池仿真软件系统能够起到节约成本,指导太阳能电池研究工作起到积极作用,同时能在太阳电池新品种、新工艺研究中发挥作用。 第二,基于仿真软件系统生成的仿真值,分别对提高激子的产生率、传输率和离解率,降低激子的复合率进行实验研究,并取得了良好的效果,提高了器件效率。(1)给体/受体材料混合比例为1:4时效率最高,光电转换效率(ηp) 1.87%,合适的比例会直接影响成膜的表面形貌,改变给体相和受体相的分离状况,从而影响电池的开路电压和短路电流;(2)氯苯和氯仿的共溶剂时效率最高,光电转换效率(ηp) 1.98%,得到不同的薄膜表面微相结构状态;(3)热处理温度为110℃效率最高,光电转换效率(ηp) 1.77%,可以形成良好导电网络,有利于电荷的传输,增大器件的短路电流,提高填充因子;(4)用Bphen做缓冲层厚度是10 nm时效率最高,光电转换效率(ηp) 1.68%,减少电子/空穴复合率,可提高器件的开路电压和短路电流。 【关键词】：聚合物太阳能电池 体异质结 仿真软件 光电效率
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 研究的背景及意义11-12
• 1.2 太阳能12-14
• 1.2.1 太阳能的实质12-13
• 1.2.2 太阳辐射13
• 1.2.3 太阳辐射光谱13-14
• 1.3 太阳能电池的发展历程14-15
• 1.4 太阳能电池的分类15-18
• 1.4.1 按电池的结构分类15-16
• 1.4.2 按基体材料分类16-17
• 1.4.3 按用途分类17
• 1.4.4 按光电转换机理分17-18
• 1.5 有机太阳能电池的国内外研究现状18-19
• 1.6 本论文的主要工作19-21
• 第二章 有机太阳能电池的机理研究21-31
• 2.1 光生伏特效应21
• 2.2 有机太阳能电池结构类型21-24
• 2.2.1 单层结构21-22
• 2.2.2 双层异质结结构22-23
• 2.2.3 体异质结结构23
• 2.2.4 多层结构23-24
• 2.3 有机太阳能电池的工作原理24-25
• 2.4 有机太阳能电池的表征25-31
• 2.4.1 标准测试条件25-26
• 2.4.2 太阳电池等效电路26-27
• 2.4.3 太阳电池的主要技术参数27-31
• 第三章 体异质结太阳能电池特性仿真31-51
• 3.1 激子的产生与载流子的传输31-33
• 3.1.1 激子的产生31-32
• 3.1.2 载流子的传输32-33
• 3.2 理论与模型33-36
• 3.3 仿真的方法36-39
• 3.3.1 迭代法36-37
• 3.3.2 离散化37-39
• 3.4 仿真界面介绍39-46
• 3.4.1 国外的著名仿真软件39-41
• 3.4.2 本软件仿真界面的介绍41-46
• 3.5 仿真值与实验结果的比较46-51
• 第四章 提高器件效率的研究51-73
• 4.1 实验室所用仪器51-55
• 4.1.1 清洗仪器51-52
• 4.1.2 配置材料仪器52-53
• 4.1.3 成膜仪器53-54
• 4.1.4 测试仪器54-55
• 4.2 制备过程55-58
• 4.2.1 清洗玻璃基片56
• 4.2.2 镀膜56-57
• 4.2.3 测试57-58
• 4.3 不同混合比例对器件性能影响研究58-62
• 4.3.1 实验材料58-59
• 4.3.2 器件制备与测试59-60
• 4.3.3 结果与讨论60-61
• 4.3.4 结论61-62
• 4.4 不同溶剂对器件性能影响研究62-65
• 4.4.1 聚合物溶解能力与溶剂溶度参数62
• 4.4.2 器件制备与测试62-63
• 4.4.3 结果与讨论63-65
• 4.4.4 结论65
• 4.5 热处理对器件性能影响研究65-68
• 4.5.1 热处理对聚合物材料影响65-66
• 4.5.2 器件制备与测试66
• 4.5.3 结果与讨论66-68
• 4.5.4 结论68
• 4.6 缓冲层对器件性能影响研究68-72
• 4.6.1 实验材料69
• 4.6.2 器件制备与测试69-70
• 4.6.3 结果与讨论70-72
• 4.6.4 结论72
• 4.7 小结72-73
• 第五章 总结与展望73-75
• 5.1 本论文的主要创新点73-74
• 5.2 目前尚存在的问题74
• 5.3 展望74-75
• 致谢75-76
• 参考文献76-81
• 作者攻硕期间取得的成果81-82

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