有機太陽能電池中金屬/有機界面物理過程的唯象研究

【摘要】：有機太陽能電池是基于有機小分子或共軛高聚物材料的光伏器件。相較于無機太陽能電池,它具有成本低、柔性可折疊、制備方便等許多優(yōu)點,因而得到了人們的廣泛關注,成為近年來一個很熱門的研究領域。本論文就是以有機太陽能電池作為研究對象的,重點關注它的金屬電極與有機層界面處的物理性質及其對器件的工作參數(shù)和效率的影響。第一章是對應用背景和研究方法的概述。在第二章我們首先介紹了有機太陽能電池的三代發(fā)展歷程；然后以體異質結器件為例,詳細描述了有機太陽能電池中激子的產(chǎn)生、擴散、拆分與載流子的生成和輸運等一系列光電過程。第三章講述理論方法,即器件模型。 器件模型是由描述電荷密度、電場、電流等宏觀物理量的時間演化的幾個方程組成的,幾乎適用于所有電子器件的研究。鑒于激子在有機體系中的重要性,我們將激子的動力學方程納入器件模型,加以改進構成一套可以統(tǒng)一描述器件內光脈沖照射下的瞬態(tài)過程和恒定光照下的穩(wěn)態(tài)過程的方法。用這一方法,我們從唯象的角度研究了器件的激子動力學、界面拆分、表面損失和開路電壓等物理問題,結論如下所列。 單層器件中的瞬態(tài)光電壓實驗表明激子在金屬(ITO)/有機界面的拆分很大而在在體內的拆分很微弱。通過將器件分為界面和體內兩個不同的拆分區(qū)域,我們模擬了激子在存在界面拆分下的演化分布。為了表征界面拆分的重要性,定義界面拆分比為發(fā)生界面拆分的激子占總拆分激子的比重,界面拆分比隨界面拆分時間(速率)的減小(增加)而升高,最終飽和。體內拆分時間越大則飽和值越大。界面拆分使得界面附近的激子密度顯著降低,在極強的拆分速率下,界面的激子是耗盡的,這是拆分比飽和的原因。瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)下的界面拆分比是一致的,但受光照強度的影響,強激光脈沖下界面拆分比的飽和值比普通弱光源的要大一些。對于歐姆接觸的器件,電子空穴的二次復合在接近開路條件時能讓提高體內的激子密度,從而使界面拆分比降低。模擬J-V曲線發(fā)現(xiàn),短路電流會隨界面拆分時間的減小或體內拆分時間的增大而降低,這源于界面電子流Jn在強界面拆分下的提升,因而Jn也能表征界面拆分的強弱。 表面電荷損失在體異質結器件中是個嚴重的問題,但很難用實驗探測。我們定義了一個表面損失幾率并推導出了它的由純粹的宏觀物理量組成的表達式,由此得到表面損失源于載流子進入各自的錯誤電極,即電子流入陽極,空穴流入陰極。數(shù)值模擬表明損失表面損失幾率在遠離凈光電流的補償電壓的電壓范圍內維持在一個較低的恒定值上,它隨電子空穴注入勢壘的變大而逐步升高,對偏壓的依賴性也變大?？紤]到金屬／有機界面拆分之后,它隨界面拆分速率的增大而增大,在接近無窮大的速率時飽和。極化子對沿給體／受體(D/A)界面的擴散也對表面損失有很重要的貢獻,當器件的界面拆分速率足夠大時,界面與體內極化子對密度梯度很大,在大的擴散系數(shù)下能形成很強的擴散流,因而這時表面損失幾率隨極化子對擴散系數(shù)的增大而迅速上升。表面損失對器件效率的損害主要表現(xiàn)在短路電流和開路電壓的減小。抑制表面損失的主要手段是在電極與有機層的界面處添加合適的插入層以阻擋錯誤流向的載流子并減弱界面拆分。 通過模擬電流-電壓特性曲線,我們驗證了開路電壓隨光照強度對數(shù)增大的關系,但在大光強下器件的填充因子迅速減小。模擬表明用電子和空穴的遷移率具有較大差異(非均衡)的有機材料制備器件會緩解這一問題。我們還探討了不同注入勢壘下開路電壓的變化,發(fā)現(xiàn)它并不是隨總注入勢壘的增加單調下降的,而是有個由極小變大再減小的過程。這源于電勢分布或能帶在兩個金屬電極與有機層界面附近的彎曲,注入勢壘越小,局部電荷堆積也越多,彎曲程度就越大。因此,為達到最大的開路電壓,器件的兩個界面并不是越接近歐姆接觸越好,而是要有一個在0.2eV左右的有限的注入勢壘。 【關鍵詞】：有機太陽能電池 共軛高聚物 體異質結 金屬/有機界面 器件模型 激子 極化子對 界面拆分 表面損失 瞬態(tài)光電壓 短路電流 開路電壓 歐姆接觸
【學位授予單位】：復旦大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 第一章 緒論10-18
• 參考文獻16-18
• 第二章 有機太陽能電池的基本物理18-42
• 2.1 有機太陽能電池的分類18-23
• 2.1.1 單層太陽能電池18-19
• 2.1.2 平面異質結(planar heterojunction)太陽能電池19-20
• 2.1.3 體異質結(bulk heterojunction)太陽能電池20-23
• 2.2 表征有機太陽能電池的參數(shù)23-25
• 2.3 體異質結器件中的光電過程25-37
• 2.3.1 激子的產(chǎn)生與擴散26-28
• 2.3.2 電子-空穴極化子對拆分的Onsager-Braun理論28-32
• 2.3.3 電荷載流子的輸運32-37
• 參考文獻37-42
• 第三章 器件模型方法42-60
• 3.1 器件模型42-53
• 3.1.1 時間演化方程42-44
• 3.1.2 如何處理金屬/有機界面44-50
• 3.1.3 如何處理載流子的生成與復合50-52
• 3.1.4 如何處理無序效應52-53
• 3.2 器件模型的初步應用53-58
• 3.2.1 Scharfetter-Gummel離散化53-54
• 3.2.2 靜態(tài)的有機太陽能電池54-55
• 3.2.3 暗態(tài)的有機太陽能電池55-58
• 參考文獻58-60
• 第四章 激子在金屬/有機界面的拆分60-82
• 4.1 瞬態(tài)光電壓(TPV)實驗60-64
• 4.2 界面拆分比64-74
• 4.2.1 激子動力學與瞬態(tài)的界面拆分比64-70
• 4.2.2 穩(wěn)態(tài)的激子動力學和界面拆分比70-72
• 4.2.3 復合對激子動力學和界面拆分比的影響72-74
• 4.3 界面拆分影響下的電流-電壓關系與邊界流74-79
• 4.4 小結79-80
• 參考文獻80-82
• 第五章 體異質結太陽能電池中的表面損失82-98
• 5.1 動力學Monte Carlo結果的分析82-84
• 5.2 表面損失的定量描述84-87
• 5.3 界面拆分對表面損失的增強效應87-92
• 5.3.1 偏壓依賴性87-88
• 5.3.2 注入勢壘的影響88-90
• 5.3.3 界面拆分的影響90-91
• 5.3.4 極化子對(PP)擴散系數(shù)的影響91-92
• 5.4 表面損失對器件效率的損害92-96
• 5.4.1 電流密度-電壓(J-V)特征關系92-95
• 5.4.2 抑制表面損失的手段95-96
• 5.5 小結96-97
• 參考文獻97-98
• 第六章 開路電壓的模擬98-106
• 6.1 開路電壓的解析表達式98-99
• 6.2 光照強度增大時的J-V曲線99-101
• 6.3 開路電壓與注入勢壘的關系101-104
• 6.4 小結104-105
• 參考文獻105-106
• 第七章 總結和展望106-110
• 致謝110-112
• 博士期間完成論文112-113

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