基于傳輸矩陣法的有機(jī)太陽能電池光學(xué)性能分析

【摘要】：和傳統(tǒng)的無機(jī)太陽能電池相比，有機(jī)太陽能電池（OSC）由于具有材料重量輕、制作成本低、加工性能好以及低的環(huán)境負(fù)荷等優(yōu)勢，成為目前的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)。多年來，提高光吸收效率一直被認(rèn)為是提高OSC能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素之一。而當(dāng)前大多數(shù)的研究都集中在新材料的合成，而利用其相關(guān)的物理機(jī)制如干涉原理，微腔效應(yīng)等來提高器件光吸收的報(bào)道卻相對很少。同時提高電池的光吸收也是提高器件外量子效率一個基本因素。 另外，在有機(jī)太陽能電池中，入射波長往往大于各層薄膜的物理厚度并且由于入射光在薄膜內(nèi)部相鄰各界面層的多個反射與折射，光的干涉效應(yīng)對活性層的光吸收影響很大，因而電池的光吸收效率與活性層的材料組成、入射波長、器件厚度及結(jié)構(gòu)等是密不可分的。而通過光學(xué)模擬則可以很清楚的看出它們之間的關(guān)系并且預(yù)測相關(guān)電學(xué)性能。如今，傳輸矩陣法作為一種簡單實(shí)用的光學(xué)模擬方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于有機(jī)太陽能電池的相關(guān)性能研究。 本文首先基于傳輸矩陣法的光學(xué)模型以及Matlab軟件，簡單模擬分析了一種倒裝聚合物太陽能電池器件內(nèi)部各層厚度、入射角度以及器件結(jié)構(gòu)對電池光學(xué)性能的影響，并探討了相關(guān)物理機(jī)制。結(jié)果表明以上各因素對電池的吸光率都有一定程度的影響。 其次，參考聚合物太陽能電池，把微腔結(jié)構(gòu)引入到一種雙層異質(zhì)結(jié)小分子太陽能電池中，并探討了電極對活性層的光吸收影響。模擬結(jié)果表明:當(dāng)把微腔結(jié)構(gòu)引入到雙層異質(zhì)結(jié)電池時，對于入射電極，發(fā)現(xiàn)活性層的吸光率主要受其反射相移的影響而非其透射率;而當(dāng)把正負(fù)折射率交替的光子晶體引入到電池中作為背電極時，發(fā)現(xiàn)活性層的吸光率和背電極反射率、反射相移都有很大關(guān)系。 最后，模擬分析了一種以硅為襯底的有機(jī)太陽能電池，并重點(diǎn)探討了硅基有機(jī)太陽能電池的折射率匹配層厚度，傳輸層厚度對活性層光吸收率的影響，結(jié)果表明：以Si/SiO2/Ag為背電極，Ag薄膜并外涂一定厚度的折射率匹配層作為入射電極的硅基有機(jī)太陽能電池由于微腔效應(yīng)可以很大程度上優(yōu)化活性層厚度，且可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的以Glass/ITO為入射電極的的太陽能電池；通過調(diào)節(jié)折射率匹配層與傳輸層到一定厚度可以適當(dāng)增加活性層光吸收率。 本文的研究為有機(jī)太陽能電池相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及進(jìn)一步提高能量轉(zhuǎn)換效率提供了一定的理論參考。 【關(guān)鍵詞】：有機(jī)太陽能電池 吸光率 傳輸矩陣法 光電場分布
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 緒論11-41
• 1.1 前言11-12
• 1.2 有機(jī)太陽能電池及光學(xué)模擬國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-14
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀12-13
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀13-14
• 1.3 有機(jī)太陽能電池基礎(chǔ)知識14-24
• 1.3.1 有機(jī)太陽能電池基本結(jié)構(gòu)14-18
• 1.3.2 OSC 工作基本原理18-21
• 1.3.3 OSC 能量損耗步驟21-22
• 1.3.4 OSC 效率表示方法22-23
• 1.3.5 OSC 性能參數(shù)23-24
• 1.4 有機(jī)太陽能電池制備及測試24-27
• 1.4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備24
• 1.4.2 制備過程24-27
• 1.4.3 性能測試27
• 1.5 傳輸矩陣法基礎(chǔ)知識27-34
• 1.5.1 矩陣的概念28-29
• 1.5.2 電磁場邊界條件29-30
• 1.5.3 反射與折射定律30
• 1.5.4 菲涅耳公式30-34
• 1.6 有機(jī)太陽能電池光學(xué)模型34-37
• 1.7 MATLAB 簡介與矩陣構(gòu)造37-39
• 1.7.1 MATLAB 簡介37-38
• 1.7.2 矩陣構(gòu)造38-39
• 1.8 本文的主要研究內(nèi)容及意義39-41
• 第二章 基于傳輸矩陣法的聚合物太陽能電池光學(xué)性能分析41-51
• 2.1 引言41
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分41-42
• 2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論42-50
• 2.3.1 厚度對電池吸光率的影響42-45
• 2.3.2 入射角度對吸光率的影響45-47
• 2.3.3 結(jié)構(gòu)對器件吸光率的影響47-50
• 2.4 本章小結(jié)50-51
• 第三章 電極對 CUPC/C60雙層異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池光學(xué)性能影響51-61
• 3.1 引言51
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分51-52
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論52-59
• 3.3.1 入射電極透射率以及結(jié)構(gòu)對電池光學(xué)性能影響52-55
• 3.3.2 背電極反射率以及結(jié)構(gòu)對電池光學(xué)性能影響響55-59
• 3.4 本章小結(jié)59-61
• 第四章 硅基有機(jī)太陽能電池光學(xué)性能分析61-71
• 4.1 引言61
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分61-62
• 4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論62-70
• 4.3.1 活性層厚度對吸光率影響62-64
• 4.3.2 匹配層厚度對活性層吸光率的影響64-67
• 4.3.3 傳輸層厚度對活性層吸光率的影響67-70
• 4.4 本章小結(jié)70-71
• 結(jié)論71-72
• 參考文獻(xiàn)72-78
• 攻讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果78-79
• 致謝79-80
• 附件80

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