有机太阳能电池的数值研究

【摘要】： 近年来,有机太阳能电池的研究已经成为一个热点,并取得长足的进展,逐渐应用在现实生活中,但进一步开发稳定性好、转换效率高、寿命长,成本低的有机太阳能电池是现阶段以及今后研究工作的主要目标。相比实验研究取得的巨大成就,人们对有机太阳能电池工作的物理机理的掌握尚显不足,这严重制约了有机太阳能性能的提高。由于有机太阳能电池内部工作机理不同于无机太阳能电池,所以建立一套适用于有机太阳能电池工作机制理论模型非常的重要。基于此,本论文作了如下工作: 1.简单有机太阳能电池即在电极/有机层/电极,虽然其转化效率低,现阶段对其研究较少。但是其能较好的描述出有机太阳能电池的基本工作原理,其他结构都是在这个结构上拓展而来的。把Koster等人的模型扩展应用于一般的单层机太阳能电池上,考虑了迁移率随电场和温度的变化。通过计算和分析,可以看出电子和空穴迁移率单独的增强能提高短路电流,但会对开路电压有轻微影响,保证电子迁移率和空穴迁移率相等并同步增大它们则会保持一个稳定的开路电压。同时也发现改变激子的产生率,激子,禁带宽度,和电子空穴距离都对性能有较大的影响。 2.体异质结电池主要是由两种给体材料和受体材料按一定的比例混合而成,他能提高激子的分离率从而极大的提高了器件的光能转换效率。在使用Onsager提出的成对复合理论基础上对建立了数值模型。通过与实验结果相对照,证明了模型的正确性,。通过计算和分析,可以看出提高有效电压可以提升分离率和复合率,从而使光电流增大。但当有效电压提升到一定程度,分离率接近1,复合率降低0.1以下,继续增加有效电压,光电流增加较少。随着有效电压的升高,光电流密度逐渐增大,同时不同温度引起的光电流差异逐渐减小。 3.平面异质结电池主要是由给体材料层和受体材料受体按叠放而成,这种结构可以很好的降低载流子的复合率,提高光能转换效率,但同时由于两种材料的接触面较小,很大程度上的降低了光生载流子的速率从而降低了光电流的大小。这里我们结合有机平面异质结的光敏层的特殊性,并结合Scott和Maliliantons的电子热发射理论开发了一种可以用来描述有机平面异质结光电器件特性的模型。通过计算和分析,我们可以看出载流子复合成激子的时间越长,器件中的载流子密度越大,反之则越小。同时,直到到达一个很高的光强密度之前,量子效率是保持不变,而当光强较强是量子效率急剧下降。 【关键词】：有机太阳能电池 数值研究 体异质结 平面异质结
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 绪论10-14
• 一、有机太阳能产生背景及历史10-11
• 二、有机太阳能电池工作的原理11-13
• 三、论文的选题和意义13-14
• 第1章 有机太阳能电池的材料、结构及特征参数14-25
• 1.1 有机太阳能电池常用材料14-16
• 1.2 有机太阳能电池的基本结构16-19
• 1.2.1 单层结构17
• 1.2.2 异质结结构17-18
• 1.2.3 混合异质结结构18-19
• 1.2.4 染料敏化太阳能电池19
• 1.3 有机太阳能电池基础表征19-23
• 1.4 激子和载流子的行为23-25
• 1.4.1 激子产生机制23-24
• 1.4.2 有机材料中的电荷的传输24-25
• 第2章 单层有机太阳能电池25-37
• 2.1 单层有机太阳能电池介绍25-26
• 2.2 理论和数值模型26-27
• 2.3 结果与讨论27-35
• 2.3.1 电流密度-电压特性曲线27-29
• 2.3.2 迁移率对器件性能的影响29-33
• 2.3.3 激子产生率、能隙和电子-空穴对距离33-35
• 2.4 本章小结35-37
• 第3章 有机体异质结太阳能电池37-55
• 3.1 体异质结介绍37-38
• 3.2 理论与模型38-41
• 3.3 模拟方法41-43
• 3.3.1 迭代法方案42
• 3.3.2 离散化42-43
• 3.4 结果与讨论43-50
• 3.4.1 与实验结果相比较43-45
• 3.4.2 短路时的器件45-47
• 3.4.3 开路时的器件47-48
• 3.4.4 有效电压对器件的影响48-49
• 3.4.5 温度对光电流的影响49-50
• 3.5 其它模型50-54
• 3.6 本章小结54-55
• 第4章 有机平面异质结太阳能电池55-70
• 4.1 理论与模型55-59
• 4.2 结果和讨论59-66
• 4.2.1 与实验结果相比较59-61
• 4.2.2 载流子复合为激子寿命τ_(rec)对器件性能的影响61-64
• 4.2.3 激子产生率对量子器件量子效率的影响64-66
• 4.3 其它模型66-69
• 4.4 本章小结69-70
• 第5章 总结和展望70-73
• 5.1 总结70-71
• 5.2 不足之处和以后工作展望71-73
• 参考文献73-76
• 附录一 有机体异质结模型源程序(SG framework语言编写)76-82
• 附录二 研究生学期期间所发表的论文82-83
• 致谢83

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