金属纳米核壳光栅改善超薄有机光伏器件光吸收性能的研究

【摘要】：有机光伏器件(Organic photovoltaic devices，简称OPVs)由于其材料来源广泛，成本低廉，制作容易，可制备成半透明、柔性器件，并可大面积生产等优点而成为非常有发展前景的可再生能源技术。然而，目前其能量转换效率（PCE）远远低于单晶硅太阳能电池。为有效提高OPVs中活性层的光吸收效率进而提高其PCE，周期性的金属纳米光栅结构已经被广泛采用。然而常见的一维金属纳米光栅结构对入射光的偏振具有很强的依赖性，同时其光捕获能力也极大地依赖于光入射角。这种偏振敏感、入射角依赖的OPVs不利于其实际应用。基于此，本文设计了一类具有核壳结构的一维金属纳米光栅作为传统正置OPVs的背反射阴极或顶阳极，同时将有机功能层也图案化为周期性结构，理论上研究了金属纳米核壳光栅结构对OPVs光吸收性能的影响。此外，本文还将所设计的一维金属纳米核壳光栅结构引入到倒置透明OPVs中，理论上研究了金属纳米核壳光栅对活性层的光吸收性能、器件的透光性能的影响。本论文的主要研究结果如下： 1、一维金属Ag纳米光栅改善P3HT:PCBM体系光伏器件光吸收性能的研究。此器件结构的特点是除将背反射阴极Ag层修饰为一维纳米光栅结构外，还将活性层和载流子传输层也设计成周期性凹凸图案。研究表明：光栅几何参数主要影响器件中共振模式的产生、阶次及强弱，其中光栅周期对共振模式有着直接的调控作用。优化的光栅结构参数为P=400nm, W=75nm及H=70nm。与等效平直器件相比，优化器件在TE，TM及混合偏振模式下活性层的总吸收效率分别提高了11.3%,15.4%和13.3%，实现了宽谱及偏振不敏感的光吸收性能的提高。对相关电磁场分布的研究表明，光吸收增强归因于此独特的器件结构激发的光子/光子、表面等离子/光子耦合模式的复合共振。此外，该优化器件还实现了广角高吸收特性。 2、MoO3/Ag/MoO3(MAM)纳米核壳光栅结构提高CuPc/C60体系光伏器件光吸收性能的研究。此器件结构的特点是引入图案化的MAM核壳光栅作为器件的顶阳极，同时将活性层也图案化为周期性结构。研究得出：MAM纳米核壳光栅结构的几何参数对光子模式、表面等离子激元的共振激发及模式间的耦合共振有着明显的影响，在光栅结构参数为p=180nm, FF=0.25及h'=43nm的条件下活性层的光吸收达到最优。与等效平直器件相比，优化器件在TM，TE及混合偏振模式下活性层的总吸收效率分别提高178.88%,19.44%和99.16%(考虑太阳光谱的权重)。对相关电磁场分布的研究表明，这主要归因于MAM纳米核壳光栅结构的引入激发了SPR，Bloch模式及强烈的耦合共振效应。此外，该结构也实现了宽谱及广角高吸收特性。 3、MoO3/Ag/MoO3(MAM)纳米核壳光栅结构对倒置透明电池器件光吸收及光透射性能的影响。此器件结构的特点是引入MAM纳米核壳光栅作透明阳极，同时应用ZnO/ITO作透明阴极，并将活性层也图案化为周期性凹凸结构。研究表明：MAM纳米核壳光栅周期直接调控共振模式，光栅高度对共振模式的阶次有明显的影响，器件在光栅结构参数为p=240nm, w=55nm及h'=90nm下活性层光吸收达到最强。与等效平直器件相比，当光从器件阳极入射时，优化器件在TM，TE及混合偏振模式下活性层的总吸收效率提高了25.27%，11.79%及18.53%(考虑太阳光谱的权重)实现了宽谱、偏振弱敏感的吸收特性。对相关电磁场分布的研究表明，光吸收增强归因于光栅结构激发了SPR，等离子波导模式及Bloch模式。此外，该结构还实现了广角高吸收特性。当光从器件阴极入射时，优化器件亦可实现宽谱，偏振弱敏感及广角光吸收增强的效果。对该器件透明性质的研究表明，与等效平直器件相比，所设计器件总透过率有所下降，但仍能达到29.25%，高于建筑物窗户玻璃总透过率基准(25%)；透射光的色坐标Dx(0.3110,0.3506)非常接近标准日光光源的色坐标D65(0.3128,0.3290)，透射光呈现高品质的中性色，可提供高质量的照明。 【关键词】：有机光伏 金属纳米核壳光栅 表面等离激元共振 等离子波导模 Bloch光子模 光吸收
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-10
• 目录10-12
• 主要符号说明12-14
• 第一章 绪论14-22
• 1.1 有机太阳能电池的发展14-16
• 1.2 有机太阳能电池的原理及典型结构16-18
• 1.3 表面等离子激元增强有机太阳能电池光吸收的应用研究18-19
• 1.3.1 表面等离激元及其增强有机太阳能电池光吸收性能的机制的研究18-19
• 1.3.2 表面等离子激元的数值研究方法简介19
• 1.4 本论文研究的目的、意义及内容19-22
• 第二章 核壳银纳米光栅增强有机太阳能电池光吸收性能的研究22-34
• 2.1 核壳银纳米光栅的结构设计与模型建立22-23
• 2.2 核壳银纳米光栅的结构参数对有机太阳能电池光吸收性能的影响23-30
• 2.2.1 核壳银纳米光栅周期对光吸收的影响及其共振机制的研究23-27
• 2.2.2 PEDOT:PSS 脊宽对光吸收的影响27-28
• 2.2.3 PEDOT:PSS 脊高对光吸收的影响28-30
• 2.3 优化的核壳银纳米光栅结构有机太阳能电池的光吸收性能30-33
• 2.3.1 光垂直入射下优化器件的光吸收性能30-32
• 2.3.2 光斜入射下优化器件的光吸收性能32-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第三章 MoO_3/Ag/MoO_3透明阳极光栅结构增强小分子太阳能电池光吸收性能的研究34-44
• 3.1 MoO_3/Ag/MoO_3透明阳极光栅器件结构设计与模型建立34-35
• 3.2 MoO_3/Ag/MoO_3透明阳极光栅的几何参数对器件光吸收性能的影响35-38
• 3.3 优化的 MoO_3/Ag/MoO_3透明阳极光栅结构太阳能电池的光吸收性能38-43
• 3.3.1 光垂直入射下优化器件的光吸收性能38-40
• 3.3.2 光斜入射下优化器件的光吸收性能40-42
• 3.3.3 MoO_3/Ag/MoO_3光栅阳极透射性能的研究42-43
• 3.4 本章小结43-44
• 第四章 基于 MoO_3/Ag/MoO_3阳极光栅结构的倒置透明有机太阳能电池光吸收及光透射性能的研究44-62
• 4.1 基于 MoO_3/Ag/MoO_3阳极光栅的倒置透明器件结构设计与模型建立44-45
• 4.2 MoO_3/Ag/MoO_3阳极光栅几何参数对倒置透明器件光吸收性能的影响45-52
• 4.2.1 MoO_3/Ag/MoO_3阳极光栅周期对光吸收的影响45-48
• 4.2.2 MoO_3/Ag/MoO_3阳极光栅宽度对光吸收的影响48-49
• 4.2.3 MoO_3/Ag/MoO_3阳极光栅高度对光吸收的影响49-52
• 4.3 优化的 MoO_3/Ag/MoO_3阳极光栅倒置透明器件的光吸收性能52-56
• 4.3.1 光从器件阳极垂直入射下优化器件的光吸收及其共振机制的研究52-54
• 4.3.2 光从器件阴极垂直入射下优化器件的光吸收及其共振机制的研究54-56
• 4.4 优化的 MoO_3/Ag/MoO_3阳极光栅倒置透明器件的光透射性能56-58
• 4.4.1 光垂直入射下优化器件的光透射性能56-57
• 4.4.2 光垂直入射下优化器件的透射光色度研究57-58
• 4.5 光斜入射下优化器件的光吸收及透射性能58-61
• 4.5.1 光从器件阳极斜入射下优化器件的光吸收性能58-59
• 4.5.2 光从器件阴极斜入射下优化器件的光吸收性能59-60
• 4.5.3 光斜入射下优化器件的光透射性能60-61
• 4.6 本章小结61-62
• 第五章 总结和展望62-64
• 创新点64-66
• 展望66-68
• 参考文献68-74
• 致谢74-76
• 硕士阶段科研成果76

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