收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

有机太阳能电池的电荷转移态等效电路和多重电荷分离界面研究

黄江  
【摘要】:有机太阳能电池以其原料来源广泛、制作工艺简单、成本低廉、耗能少、可制作柔性器件以及易于大规模生产等突出优势,成为第三代太阳能电池中重点研究和发展的对象。为了进一步提高有机太阳能电池效率突破15%,仍然需要对决定着有机太阳能电池光伏特性的电荷转移态(CT)激子加深理解和利用。本文的主要工作正是围绕着有机太阳能器件中光生激子的产生和转移以及CT激子的分离和复合等过程来建立完整的理论分析以及创新性的CT激子等效电路模型。并将其应用于光伏特性的机理研究以及指导器件性能和器件结构的优化。由此,本文的主要工作为以下五个部分: 1、详细研究了光伏器件中的四个光伏过程:激子的产生、激子的传输、激子的分离和载流子的收集,并给出了光生电流密度Jph完整的表达式。最后得出了提高电池光伏性能的几点基本要求:(1)合成高吸光系数和带隙为1.1eV~1.7eV的有机光敏材料,提高器件的光吸收;(2)提高有机材料的激子扩散长度可以增加激子的利用效率;(3)通过降低给体材料的HOMO能级以及提高受体材料的LUMO值可以直接地增加CT激子的禁带宽度,以及使CT激子的吸收谱蓝移,从而提高VOC;(4)降低CT激子的结合能以及加长结合半径可以提高激子的分离效率和JSC;(5)降低0-VOC区域光生电流密度Jph(V)的滚降可以促进电荷收集以及提高填充因子FF。 2、提出了能够有效仿真CT激子分离和复合过程的CT激子等效电路模型,且该部分工作是本论文的自主创新的核心,创新之处为:在传统的等效电路模型中新加入模拟CT激子行为的电子元件,其物理意义是:二极管Dext模拟CT激子的分离过程以及二极管Drec模拟CT激子的复合过程。接着,率先给出了CT激子等效电路模型中电子元件参数的提取方法。本论文使用该CT激子等效电路模型不仅能够用于仿真和模拟光伏器件的光电特性,还能够提取和解释器件的能量损失机制,从而为器件性能的优化提供最直接的参量指标。 3、解释了最基本的光敏层厚度优化的问题,并发现了基于单线态裂变特性器件的能量损失公式。本论文使用常规的并五苯/C60的平面异质结太阳能电池进行了厚度优化实验,得到了以下研究结果:(1)当厚度接近激子扩散长度LD~40nm时,激子的利用效率最高,光电流JSC达到最大;而当厚度超过LD时,CT激子的结合结合能Eb将会增加,这会减小激子的分离效率并导致JSC的降低。但是,Eb的增加会使VOC进一步提高,并能达到最高值。这也是从根本上解释了单纯通过优化主体光敏层厚度不能同时得到最优的JSC和最优的VOC的现象;(2)找到了实际测量的激子密度JP超过基于光学理论得到的光电流最大值P0R0的原因:并五苯分子具有单线态裂变的特性,能够直接增加器件的光电流值JP。因此,本论文提出了具有单线态裂变特性的光伏器件实际能量损失公式El oss=1β J P/P0R0,本文中修正因子β为1/1.5。 4、研究了阴极缓冲层的主要功能:光场调控、激子阻挡和有机保护层作用。首先,研究了不同BCP层对平面异质结CuPc/C60太阳能电池的光电特性的影响,得到了最优化的厚度约为10nm。其次,使用光学传输矩阵理论得出了BCP层作为光学间隔子作用,即BCP层的加入增强了有机薄膜中的光场分布以及提高了光吸收以及光生激子密度;基于激子运动理论解释了BCP层的激子阻挡层作用,即BCP层能够增加C60层中的激子利用率。接着,通过使用CT激子等效电路模型和Onsager-Braun理论详细分析了BCP层对电荷收集函数H(V)和电阻特性的影响。最后,通过缺陷态的机理分析得到了金属电极Ag对BCP的扩散厚度~11.4nm,也很好地解释了最佳厚度为10nm的原因。 5、研究了多重电荷分离界面MCS结构的太阳能电池,并率先提出适用于该结构的等效电路模型以及光生电流的分析方法。该工作也是本论文的自主创新的部分之一。本论文采用了多重电荷分离界面(MCS)的器件结构,并创新性地引入具有三线态激子的磷光染料(t-bt)2Ir(acac)和荧光染料Rubrene作为界面修饰层,使MCS器件的VOC和光电转换效率得到了有效地提高。接着,为了更加直接地仿真MCS器件中主体给体层与修饰层中CT激子在分离界面处的竞争关系,本论文提取出了适用于分析MCS器件的等效电路图,并结合光学传输矩阵理论对外量子效率进行了仿真分析,得到各个功能层中实际产生的光生电流值。本工作为将来采用单线态裂变的材料制备MCS器件奠定了坚实的等效电路和理论基础。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 ;加拿大国家研究理事会研究开发有机太阳能电池[J];中国科技信息;2011年14期
2 ;加拿大国家研究理事会研究开发有机太阳能电池[J];企业技术开发;2011年13期
3 ;有机太阳能电池效率提高至6.5%[J];电子元件与材料;2008年02期
4 庄陶钧;刘亚东;;有机太阳能电池技术及市场展望[J];光机电信息;2010年08期
5 叶子;;有机太阳能电池理论转换效率接近100%[J];技术与市场;2010年10期
6 郑冬冬;;综研化学和神户大学开发出p型半导体P3HT的新合成法,可用于有机太阳能电池[J];半导体信息;2011年02期
7 林鹏,张志峰,熊德平,张梦欣,王丽;有机太阳能电池研究进展[J];光电子技术;2004年01期
8 ;德国有机太阳能电池转化效率破世界记录[J];光机电信息;2009年08期
9 ;德国有机太阳能电池转化效率破世界记录[J];电子元件与材料;2009年10期
10 田禾;;有机太阳能电池有望商品化[J];国际学术动态;2002年01期
11 陈尚庸;有机太阳能电池[J];自然杂志;1980年01期
12 杜以会;;太阳能电池与储能设备技术的开发[J];农业工程技术(新能源产业);2010年11期
13 徐明生,季振国,阙端麟,汪茫,陈红征;有机太阳能电池研究进展[J];材料科学与工程;2000年03期
14 张福俊;;有机太阳能电池的工作原理及研究进展[J];物理教学;2010年10期
15 ;海外科技[J];机电工程技术;2005年02期
16 ;太阳能电池未来趋势:有机太阳能电池[J];技术与市场;2010年12期
17 周洪英;;科学家有望开发出低成本性能卓越的有机太阳能电池[J];功能材料信息;2010年Z1期
18 董长征,王维波,蓝闽波,任绳武,肖绪瑞,周庆复,许慧君;有机P-N结太阳能电池的研究[J];感光科学与光化学;1995年03期
19 李炳田,任斌,黄河;有机太阳能电池研究进展[J];中山大学学报(自然科学版);2003年S1期
20 ;有机太阳能电池既可自组装又能自我修复新型“迷你”电池的理论光电转换效率接近100%[J];炭素技术;2010年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 陈涛;仰志斌;彭慧胜;;基于碳纳米管纤维的有机太阳能电池[A];2011年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2011年
2 仰志斌;陈涛;何瑞旋;彭慧胜;;基于取向碳纳米管膜的柔性有机太阳能电池[A];2011年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2011年
3 陈永胜;;石墨烯在光伏器件中的应用[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年
4 范斌;田清勇;白华;;可溶性小分子有机太阳能电池[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
5 马廷丽;;柔性及叠层薄膜有机太阳能电池研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第7分册)[C];2010年
6 雍雪;张景萍;;各向同性/异性的苯并二噻吩类有机共轭小分子光物理性质理论研究[A];中国化学会第28届学术年会第13分会场摘要集[C];2012年
7 田慧;徐昊;杨利营;印寿根;;采用PEO为阴极修饰层提高有机太阳能电池的稳定性[A];全国第八届有机固体电子过程暨华人有机光电功能材料学术讨论会摘要集[C];2010年
8 耿延候;卜腊菊;曲建飞;谢志元;闫东航;王佛松;;D-A型单分散共轭液晶齐聚物及其组装结构[A];2010年两岸三地高分子液晶态与超分子有序结构学术研讨会(暨第十一次全国高分子液晶态与超分子有序结构学术论文报告会)会议论文集[C];2010年
9 何畅;贺庆国;李永舫;白凤莲;;新型分子TPA-DCM-TPA的合成及光伏性能研究[A];中国化学会第二十五届学术年会论文摘要集(上册)[C];2006年
10 赵光金;何有军;何畅;李永舫;;具有D-A结构的噻吩和苯并噻二唑共聚物的光伏器件研究[A];全国第八届有机固体电子过程暨华人有机光电功能材料学术讨论会摘要集[C];2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 黄江;有机太阳能电池的电荷转移态等效电路和多重电荷分离界面研究[D];电子科技大学;2012年
2 陈向东;有机太阳能电池中的光物理过程研究[D];合肥工业大学;2010年
3 马朝柱;有机太阳能电池电学模型与数值研究[D];兰州大学;2011年
4 乔芬;基于聚合物的有机太阳能电池的研制与表征[D];大连理工大学;2010年
5 周印华;有机聚合物体异质结太阳能电池:分子结构,表面形貌与新型器件结构[D];吉林大学;2008年
6 徐苗;基于聚合物—富勒烯体异质结光伏器件的应用研究[D];华南理工大学;2010年
7 王俊博;基于金属配合物的有机光伏型光探测器的研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2011年
8 李慧;可溶液加工的给受体型有机小分子材料的设计合成及光伏性能[D];吉林大学;2013年
9 师全民;聚合物半导体中激子离化及电荷输运特性的研究[D];北京交通大学;2009年
10 王宁;新型透明导电氧化物薄膜的设计与制备及其在有机光电器件中的应用研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 乔琳芳;利用纳米材料的光学特性提高有机太阳能电池效率的研究[D];浙江大学;2011年
2 丁国静;氧化锌基有机太阳能电池的制备及性能研究[D];天津理工大学;2012年
3 尹名;基于小分子掺杂的高分子有机半导体光伏器件性能研究[D];北京工业大学;2012年
4 范学东;基于三元体系混合物有机太阳能电池的研究[D];北京交通大学;2010年
5 周子游;银纳米颗粒表面等离子体增强有机太阳能电池研究[D];中南大学;2010年
6 刘峰;体异质结有机太阳能电池光电性能的研究[D];电子科技大学;2011年
7 董雷;具有大π结构新型有机太阳能电池受体材料的研制[D];湘潭大学;2011年
8 景广华;有机太阳能电池制作和特性研究[D];河南师范大学;2011年
9 刘朝阳;可溶液加工的石墨烯在有机太阳能电池中的应用[D];吉林大学;2012年
10 杨汀;基于酞菁类金属配合物的有机太阳能电池研究[D];兰州大学;2012年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者 毛黎;美评估有机太阳能电池对环境的影响[N];科技日报;2010年
2 蔡佳;美国研发可拉伸有机太阳能电池[N];中国建材报;2011年
3 记者 顾钢;德支持企业开发有机太阳能电池[N];科技日报;2007年
4 刘霞;有机太阳能电池既可自组装又能自我修复[N];科技日报;2010年
5 记者 邰举;叠层型有机太阳能电池接近商用[N];科技日报;2007年
6 张德强 高裕弟 刘嵩;触摸未来电子生活[N];计算机世界;2006年
7 ;光能转换为电能的光电塑料技术[N];科技日报;2006年
8 本版编辑张浩 郑晓春 邓国庆 毛黎 何屹 顾钢 何永晋;2007年世界科技发展回顾(七)[N];科技日报;2008年
9 记者 冯海波 通讯员 龚华萍;已在发电效率上取得重要进展[N];广东科技报;2008年
10 刘林森;世界各国加快太阳能应用[N];中国经济导报;2006年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978