氧化锌有机聚合物光伏电池的设计研究

【摘要】：随着全球能源问题日益严峻，太阳能作为一种重要的清洁能源得到了越来越多的关注。无机半导体光伏电池由于技术成熟、转换效率高，占据了光伏市场的主要地位。但是由于其生产成本居高不下，限制了它的广泛应用。新一代的有机聚合物光伏电池具有成本低、柔韧性好、制作工艺简单、可大面积制备的特点，因此有机光伏电池得到了广泛的关注。有机光伏电池的光电转换效率较低，这成为限制其广泛应用的技术瓶颈。如何提高有机光伏电池的转换效率已经成为研究的热点。 本文对有机光伏效应的原理和光伏电池的主要性能参数作了详细的介绍，并在此基础上，设计了一种典型的给体-受体型异质结聚合物光伏电池。根据有机光伏效应的原理，以薄膜中的光学干涉效应和扩散理论为基础，模拟了限制光伏效率的光吸收和激子扩散两个主要过程，将聚合物光伏电池中光敏层厚度与激子浓度分布、光电流和外部量子效率之间建立函数关系。然后通过对仿真结果的分析，得到了不同的薄膜厚度和激子扩散长度对光伏电池的光电流和外部量子效率的影响。激子扩散长度越长，产生的光电流越大，并且可以通过优化薄膜厚度使光电流达到最大值。 ZnO是一种重要的宽禁带半导体材料，由于其优异的光电特性，在很多领域都得到了广泛的应用。基于ZnO材料的性质和研究成果，将ZnO材料引入到有机聚合物光伏电池结构中。设计了两种含ZnO的聚合物光伏电池结构，根据电荷传输理论建立了电荷传输的模型，并建立了光伏电池的等效电路。然后针对建立的模型进行仿真模拟。根据仿真的结果可以看出，加入ZnO后光伏电池的性能得到了较大的提高。最后对于ZnO在光伏电池中的作用进行了分析，为提高光伏电池的转换效率提供了一个重要的途径。 【关键词】：有机聚合物光伏电池 有机光伏效应 给体-受体型异质结 氧化锌 转换效率
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 选题的背景和意义10-11
• 1.2 有机光伏电池的发展历程和研究现状11-12
• 1.3 有机光伏电池的发展瓶颈12-13
• 1.4 氧化锌的特性及其在有机光伏电池中的应用13-14
• 1.4.1 ZnO 的基本特性13
• 1.4.2 ZnO 薄膜的应用13-14
• 1.4.3 纳米结构 ZnO 的基本性质14
• 1.5 本文的主要研究内容14-16
• 第2章 光伏电池的基本原理16-28
• 2.1 引言16
• 2.2 光伏效应16-18
• 2.2.1 半导体能带结构及其光吸收16-17
• 2.2.2 PN 结的光伏效应17-18
• 2.3 有机光伏电池的工作原理及分类18-21
• 2.4 主要性能参数指标21-24
• 2.4.1 电流电压特性21-23
• 2.4.2 填充因子 FF(Fill Factor)23
• 2.4.3 光电转换效率23
• 2.4.4 光谱响应特性23-24
• 2.5 提高有机光伏电池转换效率的方法24-27
• 2.5.1 改善有机活性层的形貌24-25
• 2.5.2 对活性层与电极的界面进行改善25-26
• 2.5.3 对受体材料进行合理的选择26-27
• 2.5.4 加入光学间隔层27
• 2.6 本章小结27-28
• 第3章 有机光伏电池的理论分析与仿真28-42
• 3.1 引言28
• 3.2 本体异质结有机光伏电池结构设计28-29
• 3.3 理论模型的建立29-35
• 3.3.1 光伏电池中光场的分布30-32
• 3.3.2 激子的产生和传输32-35
• 3.4 模拟结果与分析35-40
• 3.5 本章小结40-42
• 第4章 ZnO 有机光伏电池的设计与特性分析42-56
• 4.1 引言42
• 4.2 氧化锌的纳米结构42-44
• 4.2.1 ZnO 薄膜的性质与制备42-43
• 4.2.2 ZnO 一维纳米结构的性质与制备43-44
• 4.2.3 ZnO 在光伏电池中的应用研究44
• 4.3 氧化锌有机光伏电池结构设计44-45
• 4.3.1 含 ZnO 薄膜层的有机光伏电池结构44-45
• 4.3.2 含双层 ZnO 结构的有机光伏电池结构设计45
• 4.4 电荷传输的理论模型45-50
• 4.5 有机光伏电池的伏安特性分析50-52
• 4.5.1 有机光伏电池等效电路51-52
• 4.5.2 短路电流J sc52
• 4.5.3 开路电压V oc52
• 4.6 仿真结果与分析52-55
• 4.7 本章小结55-56
• 结论56-58
• 参考文献58-64
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果64-65
• 致谢65-66
• 作者简介66

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