有機(jī)太陽能電池電學(xué)模型與數(shù)值研究

【摘要】：與無機(jī)太陽能電池相比,有機(jī)太陽能電池具有易加工、制作溫度低并能制作大面積的柔性器件的優(yōu)點(diǎn),其結(jié)構(gòu)也由單一的雙層結(jié)構(gòu)發(fā)展到混合體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池和疊層有機(jī)太陽能電池。實(shí)驗(yàn)上,人們已經(jīng)做了大量的研究,而在理論研究中,雖然對(duì)有機(jī)太陽能電池做了部分的研究,然而與實(shí)驗(yàn)上取得的成果相比,理論研究尚且不足,這將會(huì)制約有機(jī)太陽能電池性能的進(jìn)一步提高。基于這點(diǎn),本文主要做了以下各工作： 1.我們建立了單層有機(jī)太陽能電池的數(shù)值模型,針對(duì)電極接觸類型為歐姆接觸和肖特基接觸,考慮了雙分子復(fù)合,研究了載流子遷移率、帶隙和激子內(nèi)部的電子-空穴對(duì)距離對(duì)歐姆接觸單層有機(jī)太陽能電池性能的影響,開路狀態(tài)下電極功函數(shù)、激子產(chǎn)生率、有機(jī)層的最低未占據(jù)分子軌道能級(jí)(LUMO)、有機(jī)層的厚度和溫度對(duì)肖特基接觸下單層有機(jī)太陽能電池開路電壓的影響,短路狀態(tài)下載流子遷移率和溫度對(duì)肖特基接觸單層有機(jī)太陽能電池的短路電流的影響。研究發(fā)現(xiàn)：歐姆接觸下自由電子和空穴的遷移率分別增加時(shí)可以提高短路電流密度,但對(duì)開路電壓的影響較小。當(dāng)自由電子和空穴的遷移率保持相等并且同步增大時(shí),開路電壓會(huì)保持穩(wěn)定。肖特基接觸下,減小陰極功函數(shù)可以在一定程度上增加開路電壓和短路電流,載流子零電場(chǎng)遷移率較大時(shí)短路電流較大。溫度在一定的范圍內(nèi),溫度升高時(shí)短路電流會(huì)增加,而開路電壓卻會(huì)減小 2.對(duì)于體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池,我們研究了歐姆接觸下電池的J-V特性,短路狀態(tài)下電池的電勢(shì)、電流密度、載流子濃度和復(fù)合率的分布,開路狀態(tài)下施體材料和受體材料HOMO能級(jí)和LUMO能級(jí)、有效電壓和溫度對(duì)歐姆接觸體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池性能的影響。隨后研究了摩爾混合比對(duì)體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池的短路電流密度Jsc、開路電壓Voc和填充因子FF的影響。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)摩爾混合比一定時(shí),陰極功函數(shù)的減小可以提高Voc、Jsc和FF。 3.對(duì)于平面異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池,我們建立了開路狀態(tài)下平面異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池的電學(xué)模型,研究了開路狀態(tài)下受體層和陰極間的界面勢(shì)壘、施體層厚度和受體層厚度對(duì)平面異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池內(nèi)部載流子濃度、電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)分布的影響,短路狀態(tài)下平面異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池載流子濃度、電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)分布和短路電流與光照強(qiáng)度、施體層和受體層的關(guān)系,以及該電池的J-V特性。研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)陽極與施體的接觸勢(shì)壘△Φα和陰極與受體的接觸勢(shì)壘△Φc一定時(shí),短路電流密度和載流子濃度隨著光強(qiáng)的增大而增大；當(dāng)受體層厚度一定時(shí),施體層厚度的增加時(shí),由于空穴濃度的增加和電場(chǎng)強(qiáng)度的減小使得短路電流密度隨著施體層厚度的增加先增加后減?。划?dāng)施體層厚度一定時(shí),載流子濃度、電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)隨著受體層厚度的增加而減小,因此,短路電流密度也隨之減小。對(duì)于平面異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池的JV特性,外加偏壓主要影響施體層和受體層界面處的界面電場(chǎng),進(jìn)而影響該界面處的載流子濃度,最終會(huì)影響該器件的電流密度。 【關(guān)鍵詞】：短路電流 開路電壓 填充因子 有機(jī)太陽能電池
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章、緒論12-51
• 1.1 有機(jī)太陽能電池的材料15-18
• 1.1.1 受體材料15-16
• 1.1.2 施體材料16-18
• 1.2 有機(jī)太陽能電池的特征參數(shù)18-22
• 1.2.1 太陽光譜及太陽光強(qiáng)表示方法18-20
• 1.2.2 開路電壓V_(oc)20
• 1.2.3 短路電流I_(sc)20-21
• 1.2.4 填充因子FF21
• 1.2.5 光電轉(zhuǎn)換效率PCE(η)21
• 1.2.6 外量子效率EQE21-22
• 1.3 單層有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)、工作原理及數(shù)值研究22-23
• 1.3.1 單層有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)及工作原理22-23
• 1.3.2 單層有機(jī)太陽能電池?cái)?shù)值模型研究概況23
• 1.4 平面異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)、工作原理及數(shù)值研究23-29
• 1.4.1 平面異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池工作原理23-26
• 1.4.2 平面異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池?cái)?shù)值模型研究概況26-29
• 1.5 體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)、工作原理及數(shù)值研究29-39
• 1.5.1 體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)及工作原理30-32
• 1.5.2 體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池?cái)?shù)值模型研究概況32-39
• 1.6 論文的選題和意義39-41
• 參考文獻(xiàn)41-51
• 第二章、有機(jī)器件分析常用數(shù)值方法51-59
• 2.1 常微分方程及二階微分方程初值問題的數(shù)值方法51-55
• 2.1.1 歐拉(Euler)法52
• 2.1.2 改進(jìn)Euler法52-53
• 2.1.3 Runge-kutta法53-55
• 2.2 常微分方程邊值問題的數(shù)值方法55-58
• 2.2.1 牛頓(Newton)迭代法55-56
• 2.2.2 弦割法56
• 2.2.3 有限差分法56-58
• 參考文獻(xiàn)58-59
• 第三章、單層有機(jī)太陽能電池模型59-83
• 3.1 單層有機(jī)太陽能電池的基本理論59-62
• 3.2 歐姆接觸單層有機(jī)太陽能電池62-69
• 3.2.1 IV特性63-64
• 3.2.2 遷移率對(duì)電池特性的影響64-66
• 3.2.3 激子產(chǎn)生率對(duì)電池特性的影響66-67
• 3.2.4 有機(jī)層帶隙對(duì)電池特性的影響67-68
• 3.2.5 激子中電子—空穴距離對(duì)電池特性的影響68
• 3.2.6 小結(jié)68-69
• 3.3 肖特基接觸下單層有機(jī)太陽能電池69-79
• 3.3.1 肖特基接觸下有機(jī)太陽能電池的開路電壓69-76
• 3.3.1.1 理論與模型70-71
• 3.3.1.2 電極功函數(shù),激子產(chǎn)生率和溫度對(duì)肖特基接觸下單層有機(jī)太陽能電池開路電壓的影響71-75
• 3.3.1.3 有機(jī)層的最低未占據(jù)分子能級(jí)(LUMO)、有機(jī)層的厚度對(duì)肖特基接觸下單層有機(jī)太陽能電池開路電壓的影響75-76
• 3.3.2 肖特基接觸下有機(jī)太陽能電池短路電流76-79
• 3.4 本章小結(jié)79-81
• 參考文獻(xiàn)81-83
• 第四章、體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池模型83-102
• 4.1 歐姆接觸體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池83-89
• 4.1.1 理論與模型83-85
• 4.1.2 ME-PPV和PCBM聚合物體異質(zhì)結(jié)體異質(zhì)太陽能電池分析85-89
• 4.1.3 小結(jié)89
• 4.2 摩爾混合比對(duì)MDMO-PPV:PCBM體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池的影響89-98
• 4.2.1 理論與模型89-92
• 4.2.2 結(jié)果與討論92-98
• 4.3 本章小結(jié)98-100
• 參考文獻(xiàn)100-102
• 第五章、平面異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池模型102-125
• 5.1 開路狀態(tài)下平面異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池的載流子濃度、電場(chǎng)和電勢(shì)的分布102-109
• 5.1.1 理論與模型102-105
• 5.1.2 結(jié)果與討論105-109
• 5.2 短路狀態(tài)下平面異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池的數(shù)值模型109-116
• 5.2.1 理論與模型109-111
• 5.2.2 CuPc-PCBM平面異質(zhì)結(jié)太陽能電池分析111-116
• 5.2.3 小結(jié)116
• 5.3 平面異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池J-V特性的數(shù)值模型116-122
• 5.3.1 理論與模型116-117
• 5.3.2 無光照時(shí)pentacene/C_(60)平面異質(zhì)結(jié)太陽能電池的JV曲線分析117-119
• 5.3.3 光照時(shí)pentacene-C_(60)平面異質(zhì)結(jié)太陽能電池的JV曲線分析119-122
• 5.4 本章小結(jié)122-124
• 參考文獻(xiàn)124-125
• 第六章、總結(jié)與展望125-132
• 6.1 總結(jié)125-127
• 6.2 展望127-131
• 參考文獻(xiàn)131-132
• 附錄1、物理量符號(hào)列表132-134
• 附錄2、縮略詞列表134-136
• 在學(xué)期間的研究成果136-138
• 致謝138

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