聚合物太阳能电池机理及实验研究

【摘要】： 聚合物太阳能电池，迄今为止以其原料价格低廉、生产工艺相对简单、可以大面积制造等为特点。同时，各种各样日臻成熟的制备聚合物薄膜的方法之出现，亦为电池的制备提供了有力的支撑。这样，使得聚合物太阳能电池成为目前该领域的研究热点之一。 本论文针对聚合物太阳能电池的机理及实验进行了较为深入的探索，旨在提高器件光电转换效率。 本论文的主要工作，是从聚合物太阳能电池器件结构优化入手，在研究电池光电转换过程以及损耗机理的基础上，利用Matlab软件，模拟分析了有机电池输出特性、光子吸收特性和载流子输运特性：在此基础之上制备了基于P3HT／PCBM和MDMO-PPV／PCBM的两种复合体聚合物太阳能电池，并进行了实验验证。找到了电池材料给体受体合适的混合比例、合适的成膜溶剂；研究了对复合体膜进行热处理，以及增加缓冲层等这些提高聚合物太阳能电池性能的重要途径。 首先，建立了有机太阳能电池的等效电路模型，利用Matlab软件生成了有机电池输出特性仿真系统，模拟了有机太阳能电池的输出特性。同时还对有机太阳能电池的串联电阻和分流电阻对输出特性的影响进行了仿真研究。 进而，为了验证模型的合理性，制备了基于P3HT／PCBM的复合体结构聚合物有机太阳能电池并实测数据，同时还将仿真结果与其它的实验结果进行对比分析，发现数值模拟和实验结果符合较好，从而证明所建立的电路模型，对描述有机太阳能电池的输出特性可靠。 之后，以P3HT／PCBM的复合体结构有机太阳能电池参数为基础，建立了复合体异质结器件光子吸收模型和载流子输运模型，模拟了基于P3HT／PCBM的复合体结构有机太阳能电池光吸收和电荷输运过程，分析和实验结果都表明，对于体异质结有机太阳能电池，都存在最佳参数可以提高光电转换效率。 综上所述，本工作对聚合物太阳能电池，从理论和实验两方面，进行了有益的探索。从理论上，利用光学干涉效应、电荷漂移和扩散理论，建立了等效电路模型、光子吸收模型、载流子输运模型和输出特性仿真系统；在实验上，系统研究了电池材料给体受体的混合比例、成膜选择的溶剂，以及对复合体膜进行热处理和增加缓冲层等对有机太阳能电池转换效率的影响，得到了具有实际指导意义和理论参考价值的结果： 研究表明，复合体中给体受体材料(D／A)比例不同，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；选择不同溶剂成膜制备的聚合物太阳能电池，得到不同的薄膜表面微相结构状态；对制备的电池进行热处理，可以形成良好的微相分离及导电网络，有利于电荷的传输，增大器件的短路电流，提高填充因子；在有机活性层和ITO基底之间，以及有机活性层和电极之间插入缓冲夹层，同样可提高器件的开路电压和短路电流。 【关键词】：有机太阳能电池 共轭聚合物 光伏效应 复合体异质结 转换效率
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 1 绪论10-30
• 1.1 研究背景和意义10-12
• 1.2 传统无机太阳能电池发展概述12-17
• 1.3 有机/聚合物太阳能电池研究综述17-27
• 1.4 本论文主要研究内容27-30
• 2 有机太阳能电池机理研究30-47
• 2.1 光生伏特效应30-33
• 2.2 无机太阳能电池理论及性能参数33-36
• 2.3 有机/聚合物太阳能电池机理36-44
• 2.4 不同结构有机/聚合物电池机理研究44-46
• 2.5 小结46-47
• 3 复合体有机太阳能电池制备与性能测试47-58
• 3.1 制备复合体太阳能电池所需仪器设备47
• 3.2 复合体太阳能电池制备工艺流程47-53
• 3.3 性能测试所需的仪器设备53
• 3.4 有机太阳能电池性能测试所需光源53-56
• 3.5 有机太阳能电池输出特性测定56-57
• 3.6 小结57-58
• 4 有机太阳能电池模拟计算与实验研究58-76
• 4.1 有机太阳能电池输出特性模拟分析与实验研究58-66
• 4.2 复合体有机太阳能电池物理性能模拟66-74
• 4.3 小结74-76
• 5 提高器件效率研究76-107
• 5.1 聚合物共混比例影响性能研究76-88
• 5.2 溶剂影响器件性能研究88-95
• 5.3 热处理提高器件效率研究95-101
• 5.4 缓冲层改善器件性能研究101-106
• 5.5 小结106-107
• 6 总结与展望107-109
• 6.1 本工作主要创新点107
• 6.2 目前尚存在的问题107-108
• 6.3 展望108-109
• 致谢109-110
• 参考文献110-119
• 附录 1 攻读博士学位期间发表论文目录119

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