聚合物太陽(yáng)能電池中光吸收增強(qiáng)效應(yīng)的研究

【摘要】：聚合物太陽(yáng)能電池因其可溶液成膜的制備工藝、可彎曲和大面積成膜的優(yōu)勢(shì)及光學(xué)吸收波長(zhǎng)的可調(diào)諧性等,對(duì)于新能源的開發(fā)和應(yīng)用具有重要意義和潛在價(jià)值。聚合物太陽(yáng)能電池的光學(xué)吸收效率決定了器件的能量轉(zhuǎn)化效率,如何增強(qiáng)電池的光學(xué)吸收已成為該研究領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)研究方向而受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。本研究工作以此為出發(fā)點(diǎn),以傳統(tǒng)P3HT:PCBM體系聚合物太陽(yáng)能電池為研究對(duì)象,以光學(xué)電磁場(chǎng)理論和光電轉(zhuǎn)換模型為依據(jù),通過(guò)優(yōu)化功能層厚度、光學(xué)間隔層厚度、采用疊層器件結(jié)構(gòu)、光柵結(jié)構(gòu)以及基于等離子體局域場(chǎng)增強(qiáng)作用等來(lái)實(shí)現(xiàn)聚合物太陽(yáng)能電池的光吸收增強(qiáng)。論文結(jié)合FDTD和RCWA數(shù)學(xué)計(jì)算,深入研究了聚合物太陽(yáng)能電池器件的制備工藝、聚合物薄膜的光學(xué)常數(shù)和厚度測(cè)定、特殊器件結(jié)構(gòu)的光電場(chǎng)分布及器件光學(xué)與光電性能。 論文從光學(xué)電磁理論和光電轉(zhuǎn)換與載流子輸運(yùn)過(guò)程兩方面對(duì)聚合物太陽(yáng)能電池光生電流的物理機(jī)制進(jìn)行論述。由光學(xué)傳遞矩陣推導(dǎo)出聚合物太陽(yáng)能電池內(nèi)光電場(chǎng)分布、反射與透射的計(jì)算表達(dá)式；以O(shè)nsager-Braun模型、漂移-擴(kuò)散理論和空間電荷限制電流(SCLC)模型為理論依據(jù),定性地描述了聚合物太陽(yáng)能電池吸收光子并產(chǎn)生電流的物理過(guò)程,并詳細(xì)推導(dǎo)了激子分離概率、凈電荷產(chǎn)生率、光生電流與電壓的數(shù)學(xué)方程。 基于材料的F-B色散模型,通過(guò)對(duì)反射(透射)光譜擬合法測(cè)定了實(shí)際制備的聚合物太陽(yáng)能電池中幾種常用功能薄膜的光學(xué)常數(shù)(包括折射率和消光系數(shù))和厚度。研究分析了不同制備工藝對(duì)薄膜光學(xué)常數(shù)的影響,特別是退火導(dǎo)致P3HT:PCBM薄膜的表面粗糙度上升,從而引起的可見光波段折射率和消光系數(shù)明顯增加的現(xiàn)象。 基于光學(xué)傳遞矩陣法并結(jié)合激子分離概率函數(shù),優(yōu)化了單層體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽(yáng)能電池的功能層厚度。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在器件結(jié)構(gòu)為ITO(100nm)/PEDOT:PSS(40nm)/P3HT:PCBM/LiF(lnm)/Al(120nm)時(shí),功能層最優(yōu)厚度約為100nm左右；通過(guò)加入高折射率的TiO2光學(xué)間隔層,在不降低光子吸收的條件下,使最優(yōu)厚度進(jìn)一步變?。杭串?dāng)TiO2為10nm時(shí),功能層最優(yōu)厚度降低為75 nm左右；為了進(jìn)一步拓寬聚合物太陽(yáng)能電池對(duì)太陽(yáng)光的吸收光譜范圍,采用有機(jī)小分子功能層A1C1Pc：C60和P3HT：PCBM并聯(lián)的器件結(jié)構(gòu),基于FDTD方法對(duì)結(jié)構(gòu)為ITO(100nm) /AlClPc:C60(5nm)/NiO(15nm)/ITO(60nm)/PEDOT:PSS(40nm)/P3HT:PCBM(100nm)/LiF(1nm)/Al(120nm)的疊層器件的理論分析表明：器件在近紅外光譜區(qū)780 nm～900nm的光學(xué)吸收仍有20%左右,采用該疊層器件結(jié)構(gòu)有效地增強(qiáng)了電池對(duì)太陽(yáng)光中780nm-900 nm近紅外光譜區(qū)的光吸收。 研究了利用Ag納米顆粒的等離子體局域場(chǎng)加強(qiáng)效應(yīng)增強(qiáng)聚合物太陽(yáng)能電池器件功能層對(duì)光的吸收。利用FDTD方法研究了銀納米顆粒在聚合物太陽(yáng)能電池中不同的包圍層介質(zhì)內(nèi)的光電場(chǎng)分布,分析了銀納米顆粒對(duì)聚合物功能層的吸收增強(qiáng)作用。采用物理沉積后處理的方法制備了銀納米顆粒,制備了相應(yīng)的聚合物太陽(yáng)能電池,并測(cè)試了不同包圍層介質(zhì)的Ag等離子體器件的外量子效率,實(shí)驗(yàn)證明：加入Ag納米顆粒后的器件明顯比參考器件的外量子效率要高,并以NiO作為包圍層介質(zhì)的聚合物太陽(yáng)能電池的外量子效率為最高。 研究了亞微米光柵結(jié)構(gòu)對(duì)聚合物太陽(yáng)能電池的光學(xué)吸收增強(qiáng)作用,采用了微壓印技術(shù)：利用CD光盤作模板并采用熱固化柔性硅橡膠PDMS作為印章,在空穴傳輸層PEDOT:PSS表面制作了最小周期為1.6μm的亞微米尺度光柵結(jié)構(gòu)。借助于FDTD和RCWA數(shù)學(xué)工具,分析了器件內(nèi)光電場(chǎng)分布,以及不同深度和占空比的光柵結(jié)構(gòu)對(duì)器件光學(xué)吸收的影響。理論分析表明：PEDOT:PSS上引入光柵能夠改善聚合物功能層P3HT:PCBM以及整個(gè)器件的光學(xué)吸收。當(dāng)光柵周期為1 um時(shí),光柵深度10 nm以及較小的占空比會(huì)增強(qiáng)器件的光學(xué)吸收。并從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了光柵結(jié)構(gòu)對(duì)器件性能的改善。 【關(guān)鍵詞】：聚合物太陽(yáng)能電池 光學(xué)常數(shù) 時(shí)域有限差分 等離子體 微壓印
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-10
• 常用英文縮寫注釋表10-11
• 目錄11-14
• 1 緒論14-30
• 1.1 聚合物太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展15-23
• 1.1.1 發(fā)展歷史15-18
• 1.1.2 器件結(jié)構(gòu)18-19
• 1.1.3 基本原理19-20
• 1.1.4 性能表征20-23
• 1.2 聚合物太陽(yáng)能電池的光吸收增強(qiáng)23-25
• 1.2.1 級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池24
• 1.2.2 光學(xué)間隔層增強(qiáng)型太陽(yáng)能電池24
• 1.2.3 光子晶體太陽(yáng)能電池24-25
• 1.2.4 金屬等離子體太陽(yáng)能電池25
• 1.2.5 陷光結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池25
• 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新意義25-27
• 參考文獻(xiàn)27-30
• 2 聚合物太陽(yáng)能電池光學(xué)與半導(dǎo)體性質(zhì)30-48
• 2.1 引言30
• 2.2 電池內(nèi)的光學(xué)電磁理論30-36
• 2.2.1 共軛聚合物的光學(xué)常數(shù)30-31
• 2.2.2 光學(xué)常數(shù)擬合31-34
• 2.2.3 光學(xué)傳遞矩陣34-36
• 2.3 器件內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換與載流子輸運(yùn)過(guò)程36-41
• 2.3.1 Onsager-Braun模型37-38
• 2.3.2 漂移-擴(kuò)散理論38-39
• 2.3.3 空間電荷限制電流(SCLC)39-41
• 2.4 仿真分析工具41-45
• 2.4.1 嚴(yán)格耦合波分析(RCWA)41-43
• 2.4.2 時(shí)域有限差分方法(FDTD)43-45
• 2.5 本章小結(jié)45
• 參考文獻(xiàn)45-48
• 3 聚合物太陽(yáng)能電池的制備與表征48-63
• 3.1 引言48
• 3.2 實(shí)驗(yàn)用到的電池材料48-51
• 3.2.1 聚合物功能層材料48-51
• 3.2.2 空穴傳輸層材料51
• 3.3 聚合物太陽(yáng)能電池的制備51-55
• 3.3.1 ITO基片的刻蝕與清洗52
• 3.3.2 陽(yáng)極緩沖層的旋涂52-53
• 3.3.3 聚合物功能層的旋涂53
• 3.3.4 陰極蒸鍍和封裝53-55
• 3.4 性能測(cè)試55-56
• 3.4.1 伏安特性55
• 3.4.2 量子轉(zhuǎn)化效率55-56
• 3.5 半導(dǎo)體聚合物薄膜的光學(xué)常數(shù)測(cè)試56-60
• 3.5.1 薄膜材料及其反射光譜測(cè)量56-57
• 3.5.2 測(cè)試結(jié)果與討論57-59
• 3.5.3 制備工藝對(duì)薄膜光學(xué)常數(shù)的影響59-60
• 3.6 本章小結(jié)60
• 參考文獻(xiàn)60-63
• 4 聚合物太陽(yáng)能電池的厚度優(yōu)化63-76
• 4.1 引言63
• 4.2 單層體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池厚度優(yōu)化63-69
• 4.2.1 功能層厚度優(yōu)化63-66
• 4.2.2 光學(xué)間隔層厚度優(yōu)化66-69
• 4.3 疊層太陽(yáng)能電池的厚度優(yōu)化69-73
• 4.3.1 功能層材料光學(xué)特性69-70
• 4.3.2 器件結(jié)構(gòu)70-71
• 4.3.3 理論模擬分析71-73
• 4.4 本章小結(jié)73
• 參考文獻(xiàn)73-76
• 5 等離子體增強(qiáng)型聚合物太陽(yáng)能電池性能研究76-89
• 5.1 引言76-77
• 5.2 金屬等離子體局域場(chǎng)增強(qiáng)理論77-78
• 5.3 器件制備78-81
• 5.3.1 銀納米層的制備79-80
• 5.3.2 其它膜層的制備80-81
• 5.4 器件測(cè)試與結(jié)果分析81-86
• 5.4.1 銀納米層對(duì)光電場(chǎng)影響81-83
• 5.4.2 器件電學(xué)性能分析83-84
• 5.4.3 包圍介質(zhì)對(duì)等離子體場(chǎng)增強(qiáng)的影響84-86
• 5.5 本章小結(jié)86-87
• 參考文獻(xiàn)87-89
• 6 光柵結(jié)構(gòu)的聚合物太陽(yáng)能電池研究89-100
• 6.1 引言89
• 6.2 光柵的微壓印制備89-93
• 6.2.1 PDMS印章制備90-92
• 6.2.2 PEDOT:PSS光柵結(jié)構(gòu)的制備92-93
• 6.3 光柵結(jié)構(gòu)器件的數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果93-97
• 6.3.1 光柵器件光學(xué)吸收分析93-96
• 6.3.2 器件測(cè)試結(jié)果96-97
• 6.4 本章小結(jié)97
• 參考文獻(xiàn)97-100
• 7 總結(jié)與展望100-102
• 作者簡(jiǎn)歷102
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的文章102

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