金屬納米核殼光柵改善超薄有機(jī)光伏器件光吸收性能的研究

【摘要】：有機(jī)光伏器件(Organic photovoltaic devices，簡稱OPVs)由于其材料來源廣泛，成本低廉，制作容易，可制備成半透明、柔性器件，并可大面積生產(chǎn)等優(yōu)點而成為非常有發(fā)展前景的可再生能源技術(shù)。然而，目前其能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單晶硅太陽能電池。為有效提高OPVs中活性層的光吸收效率進(jìn)而提高其PCE，周期性的金屬納米光柵結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛采用。然而常見的一維金屬納米光柵結(jié)構(gòu)對入射光的偏振具有很強(qiáng)的依賴性，同時其光捕獲能力也極大地依賴于光入射角。這種偏振敏感、入射角依賴的OPVs不利于其實際應(yīng)用?；诖耍疚脑O(shè)計了一類具有核殼結(jié)構(gòu)的一維金屬納米光柵作為傳統(tǒng)正置OPVs的背反射陰極或頂陽極，同時將有機(jī)功能層也圖案化為周期性結(jié)構(gòu)，理論上研究了金屬納米核殼光柵結(jié)構(gòu)對OPVs光吸收性能的影響。此外，本文還將所設(shè)計的一維金屬納米核殼光柵結(jié)構(gòu)引入到倒置透明OPVs中，理論上研究了金屬納米核殼光柵對活性層的光吸收性能、器件的透光性能的影響。本論文的主要研究結(jié)果如下： 1、一維金屬Ag納米光柵改善P3HT:PCBM體系光伏器件光吸收性能的研究。此器件結(jié)構(gòu)的特點是除將背反射陰極Ag層修飾為一維納米光柵結(jié)構(gòu)外，還將活性層和載流子傳輸層也設(shè)計成周期性凹凸圖案。研究表明：光柵幾何參數(shù)主要影響器件中共振模式的產(chǎn)生、階次及強(qiáng)弱，其中光柵周期對共振模式有著直接的調(diào)控作用。優(yōu)化的光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)為P=400nm, W=75nm及H=70nm。與等效平直器件相比，優(yōu)化器件在TE，TM及混合偏振模式下活性層的總吸收效率分別提高了11.3%,15.4%和13.3%，實現(xiàn)了寬譜及偏振不敏感的光吸收性能的提高。對相關(guān)電磁場分布的研究表明，光吸收增強(qiáng)歸因于此獨特的器件結(jié)構(gòu)激發(fā)的光子/光子、表面等離子/光子耦合模式的復(fù)合共振。此外，該優(yōu)化器件還實現(xiàn)了廣角高吸收特性。 2、MoO3/Ag/MoO3(MAM)納米核殼光柵結(jié)構(gòu)提高CuPc/C60體系光伏器件光吸收性能的研究。此器件結(jié)構(gòu)的特點是引入圖案化的MAM核殼光柵作為器件的頂陽極，同時將活性層也圖案化為周期性結(jié)構(gòu)。研究得出：MAM納米核殼光柵結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)對光子模式、表面等離子激元的共振激發(fā)及模式間的耦合共振有著明顯的影響，在光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)為p=180nm, FF=0.25及h'=43nm的條件下活性層的光吸收達(dá)到最優(yōu)。與等效平直器件相比，優(yōu)化器件在TM，TE及混合偏振模式下活性層的總吸收效率分別提高178.88%,19.44%和99.16%(考慮太陽光譜的權(quán)重)。對相關(guān)電磁場分布的研究表明，這主要歸因于MAM納米核殼光柵結(jié)構(gòu)的引入激發(fā)了SPR，Bloch模式及強(qiáng)烈的耦合共振效應(yīng)。此外，該結(jié)構(gòu)也實現(xiàn)了寬譜及廣角高吸收特性。 3、MoO3/Ag/MoO3(MAM)納米核殼光柵結(jié)構(gòu)對倒置透明電池器件光吸收及光透射性能的影響。此器件結(jié)構(gòu)的特點是引入MAM納米核殼光柵作透明陽極，同時應(yīng)用ZnO/ITO作透明陰極，并將活性層也圖案化為周期性凹凸結(jié)構(gòu)。研究表明：MAM納米核殼光柵周期直接調(diào)控共振模式，光柵高度對共振模式的階次有明顯的影響，器件在光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)為p=240nm, w=55nm及h'=90nm下活性層光吸收達(dá)到最強(qiáng)。與等效平直器件相比，當(dāng)光從器件陽極入射時，優(yōu)化器件在TM，TE及混合偏振模式下活性層的總吸收效率提高了25.27%，11.79%及18.53%(考慮太陽光譜的權(quán)重)實現(xiàn)了寬譜、偏振弱敏感的吸收特性。對相關(guān)電磁場分布的研究表明，光吸收增強(qiáng)歸因于光柵結(jié)構(gòu)激發(fā)了SPR，等離子波導(dǎo)模式及Bloch模式。此外，該結(jié)構(gòu)還實現(xiàn)了廣角高吸收特性。當(dāng)光從器件陰極入射時，優(yōu)化器件亦可實現(xiàn)寬譜，偏振弱敏感及廣角光吸收增強(qiáng)的效果。對該器件透明性質(zhì)的研究表明，與等效平直器件相比，所設(shè)計器件總透過率有所下降，但仍能達(dá)到29.25%，高于建筑物窗戶玻璃總透過率基準(zhǔn)(25%)；透射光的色坐標(biāo)Dx(0.3110,0.3506)非常接近標(biāo)準(zhǔn)日光光源的色坐標(biāo)D65(0.3128,0.3290)，透射光呈現(xiàn)高品質(zhì)的中性色，可提供高質(zhì)量的照明。 【關(guān)鍵詞】：有機(jī)光伏 金屬納米核殼光柵 表面等離激元共振 等離子波導(dǎo)模 Bloch光子模 光吸收
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-10
• 目錄10-12
• 主要符號說明12-14
• 第一章 緒論14-22
• 1.1 有機(jī)太陽能電池的發(fā)展14-16
• 1.2 有機(jī)太陽能電池的原理及典型結(jié)構(gòu)16-18
• 1.3 表面等離子激元增強(qiáng)有機(jī)太陽能電池光吸收的應(yīng)用研究18-19
• 1.3.1 表面等離激元及其增強(qiáng)有機(jī)太陽能電池光吸收性能的機(jī)制的研究18-19
• 1.3.2 表面等離子激元的數(shù)值研究方法簡介19
• 1.4 本論文研究的目的、意義及內(nèi)容19-22
• 第二章 核殼銀納米光柵增強(qiáng)有機(jī)太陽能電池光吸收性能的研究22-34
• 2.1 核殼銀納米光柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計與模型建立22-23
• 2.2 核殼銀納米光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)對有機(jī)太陽能電池光吸收性能的影響23-30
• 2.2.1 核殼銀納米光柵周期對光吸收的影響及其共振機(jī)制的研究23-27
• 2.2.2 PEDOT:PSS 脊寬對光吸收的影響27-28
• 2.2.3 PEDOT:PSS 脊高對光吸收的影響28-30
• 2.3 優(yōu)化的核殼銀納米光柵結(jié)構(gòu)有機(jī)太陽能電池的光吸收性能30-33
• 2.3.1 光垂直入射下優(yōu)化器件的光吸收性能30-32
• 2.3.2 光斜入射下優(yōu)化器件的光吸收性能32-33
• 2.4 本章小結(jié)33-34
• 第三章 MoO_3/Ag/MoO_3透明陽極光柵結(jié)構(gòu)增強(qiáng)小分子太陽能電池光吸收性能的研究34-44
• 3.1 MoO_3/Ag/MoO_3透明陽極光柵器件結(jié)構(gòu)設(shè)計與模型建立34-35
• 3.2 MoO_3/Ag/MoO_3透明陽極光柵的幾何參數(shù)對器件光吸收性能的影響35-38
• 3.3 優(yōu)化的 MoO_3/Ag/MoO_3透明陽極光柵結(jié)構(gòu)太陽能電池的光吸收性能38-43
• 3.3.1 光垂直入射下優(yōu)化器件的光吸收性能38-40
• 3.3.2 光斜入射下優(yōu)化器件的光吸收性能40-42
• 3.3.3 MoO_3/Ag/MoO_3光柵陽極透射性能的研究42-43
• 3.4 本章小結(jié)43-44
• 第四章 基于 MoO_3/Ag/MoO_3陽極光柵結(jié)構(gòu)的倒置透明有機(jī)太陽能電池光吸收及光透射性能的研究44-62
• 4.1 基于 MoO_3/Ag/MoO_3陽極光柵的倒置透明器件結(jié)構(gòu)設(shè)計與模型建立44-45
• 4.2 MoO_3/Ag/MoO_3陽極光柵幾何參數(shù)對倒置透明器件光吸收性能的影響45-52
• 4.2.1 MoO_3/Ag/MoO_3陽極光柵周期對光吸收的影響45-48
• 4.2.2 MoO_3/Ag/MoO_3陽極光柵寬度對光吸收的影響48-49
• 4.2.3 MoO_3/Ag/MoO_3陽極光柵高度對光吸收的影響49-52
• 4.3 優(yōu)化的 MoO_3/Ag/MoO_3陽極光柵倒置透明器件的光吸收性能52-56
• 4.3.1 光從器件陽極垂直入射下優(yōu)化器件的光吸收及其共振機(jī)制的研究52-54
• 4.3.2 光從器件陰極垂直入射下優(yōu)化器件的光吸收及其共振機(jī)制的研究54-56
• 4.4 優(yōu)化的 MoO_3/Ag/MoO_3陽極光柵倒置透明器件的光透射性能56-58
• 4.4.1 光垂直入射下優(yōu)化器件的光透射性能56-57
• 4.4.2 光垂直入射下優(yōu)化器件的透射光色度研究57-58
• 4.5 光斜入射下優(yōu)化器件的光吸收及透射性能58-61
• 4.5.1 光從器件陽極斜入射下優(yōu)化器件的光吸收性能58-59
• 4.5.2 光從器件陰極斜入射下優(yōu)化器件的光吸收性能59-60
• 4.5.3 光斜入射下優(yōu)化器件的光透射性能60-61
• 4.6 本章小結(jié)61-62
• 第五章 總結(jié)和展望62-64
• 創(chuàng)新點64-66
• 展望66-68
• 參考文獻(xiàn)68-74
• 致謝74-76
• 碩士階段科研成果76

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