有机太阳能电池电学模型与数值研究

【摘要】：与无机太阳能电池相比,有机太阳能电池具有易加工、制作温度低并能制作大面积的柔性器件的优点,其结构也由单一的双层结构发展到混合体异质结有机太阳能电池和叠层有机太阳能电池。实验上,人们已经做了大量的研究,而在理论研究中,虽然对有机太阳能电池做了部分的研究,然而与实验上取得的成果相比,理论研究尚且不足,这将会制约有机太阳能电池性能的进一步提高。基于这点,本文主要做了以下各工作： 1.我们建立了单层有机太阳能电池的数值模型,针对电极接触类型为欧姆接触和肖特基接触,考虑了双分子复合,研究了载流子迁移率、带隙和激子内部的电子-空穴对距离对欧姆接触单层有机太阳能电池性能的影响,开路状态下电极功函数、激子产生率、有机层的最低未占据分子轨道能级(LUMO)、有机层的厚度和温度对肖特基接触下单层有机太阳能电池开路电压的影响,短路状态下载流子迁移率和温度对肖特基接触单层有机太阳能电池的短路电流的影响。研究发现：欧姆接触下自由电子和空穴的迁移率分别增加时可以提高短路电流密度,但对开路电压的影响较小。当自由电子和空穴的迁移率保持相等并且同步增大时,开路电压会保持稳定。肖特基接触下,减小阴极功函数可以在一定程度上增加开路电压和短路电流,载流子零电场迁移率较大时短路电流较大。温度在一定的范围内,温度升高时短路电流会增加,而开路电压却会减小 2.对于体异质结有机太阳能电池,我们研究了欧姆接触下电池的J-V特性,短路状态下电池的电势、电流密度、载流子浓度和复合率的分布,开路状态下施体材料和受体材料HOMO能级和LUMO能级、有效电压和温度对欧姆接触体异质结有机太阳能电池性能的影响。随后研究了摩尔混合比对体异质结有机太阳能电池的短路电流密度Jsc、开路电压Voc和填充因子FF的影响。研究发现,当摩尔混合比一定时,阴极功函数的减小可以提高Voc、Jsc和FF。 3.对于平面异质结有机太阳能电池,我们建立了开路状态下平面异质结有机太阳能电池的电学模型,研究了开路状态下受体层和阴极间的界面势垒、施体层厚度和受体层厚度对平面异质结有机太阳能电池内部载流子浓度、电场强度和电势分布的影响,短路状态下平面异质结有机太阳能电池载流子浓度、电场强度、电势分布和短路电流与光照强度、施体层和受体层的关系,以及该电池的J-V特性。研究发现：当阳极与施体的接触势垒△Φα和阴极与受体的接触势垒△Φc一定时,短路电流密度和载流子浓度随着光强的增大而增大；当受体层厚度一定时,施体层厚度的增加时,由于空穴浓度的增加和电场强度的减小使得短路电流密度随着施体层厚度的增加先增加后减小；当施体层厚度一定时,载流子浓度、电场强度和电势随着受体层厚度的增加而减小,因此,短路电流密度也随之减小。对于平面异质结有机太阳能电池的JV特性,外加偏压主要影响施体层和受体层界面处的界面电场,进而影响该界面处的载流子浓度,最终会影响该器件的电流密度。 【关键词】：短路电流 开路电压 填充因子 有机太阳能电池
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章、绪论12-51
• 1.1 有机太阳能电池的材料15-18
• 1.1.1 受体材料15-16
• 1.1.2 施体材料16-18
• 1.2 有机太阳能电池的特征参数18-22
• 1.2.1 太阳光谱及太阳光强表示方法18-20
• 1.2.2 开路电压V_(oc)20
• 1.2.3 短路电流I_(sc)20-21
• 1.2.4 填充因子FF21
• 1.2.5 光电转换效率PCE(η)21
• 1.2.6 外量子效率EQE21-22
• 1.3 单层有机太阳能电池结构、工作原理及数值研究22-23
• 1.3.1 单层有机太阳能电池结构及工作原理22-23
• 1.3.2 单层有机太阳能电池数值模型研究概况23
• 1.4 平面异质结有机太阳能电池结构、工作原理及数值研究23-29
• 1.4.1 平面异质结有机太阳能电池工作原理23-26
• 1.4.2 平面异质结有机太阳能电池数值模型研究概况26-29
• 1.5 体异质结有机太阳能电池结构、工作原理及数值研究29-39
• 1.5.1 体异质结有机太阳能电池结构及工作原理30-32
• 1.5.2 体异质结有机太阳能电池数值模型研究概况32-39
• 1.6 论文的选题和意义39-41
• 参考文献41-51
• 第二章、有机器件分析常用数值方法51-59
• 2.1 常微分方程及二阶微分方程初值问题的数值方法51-55
• 2.1.1 欧拉(Euler)法52
• 2.1.2 改进Euler法52-53
• 2.1.3 Runge-kutta法53-55
• 2.2 常微分方程边值问题的数值方法55-58
• 2.2.1 牛顿(Newton)迭代法55-56
• 2.2.2 弦割法56
• 2.2.3 有限差分法56-58
• 参考文献58-59
• 第三章、单层有机太阳能电池模型59-83
• 3.1 单层有机太阳能电池的基本理论59-62
• 3.2 欧姆接触单层有机太阳能电池62-69
• 3.2.1 IV特性63-64
• 3.2.2 迁移率对电池特性的影响64-66
• 3.2.3 激子产生率对电池特性的影响66-67
• 3.2.4 有机层带隙对电池特性的影响67-68
• 3.2.5 激子中电子—空穴距离对电池特性的影响68
• 3.2.6 小结68-69
• 3.3 肖特基接触下单层有机太阳能电池69-79
• 3.3.1 肖特基接触下有机太阳能电池的开路电压69-76
• 3.3.1.1 理论与模型70-71
• 3.3.1.2 电极功函数,激子产生率和温度对肖特基接触下单层有机太阳能电池开路电压的影响71-75
• 3.3.1.3 有机层的最低未占据分子能级(LUMO)、有机层的厚度对肖特基接触下单层有机太阳能电池开路电压的影响75-76
• 3.3.2 肖特基接触下有机太阳能电池短路电流76-79
• 3.4 本章小结79-81
• 参考文献81-83
• 第四章、体异质结有机太阳能电池模型83-102
• 4.1 欧姆接触体异质结有机太阳能电池83-89
• 4.1.1 理论与模型83-85
• 4.1.2 ME-PPV和PCBM聚合物体异质结体异质太阳能电池分析85-89
• 4.1.3 小结89
• 4.2 摩尔混合比对MDMO-PPV:PCBM体异质结有机太阳能电池的影响89-98
• 4.2.1 理论与模型89-92
• 4.2.2 结果与讨论92-98
• 4.3 本章小结98-100
• 参考文献100-102
• 第五章、平面异质结有机太阳能电池模型102-125
• 5.1 开路状态下平面异质结有机太阳能电池的载流子浓度、电场和电势的分布102-109
• 5.1.1 理论与模型102-105
• 5.1.2 结果与讨论105-109
• 5.2 短路状态下平面异质结有机太阳能电池的数值模型109-116
• 5.2.1 理论与模型109-111
• 5.2.2 CuPc-PCBM平面异质结太阳能电池分析111-116
• 5.2.3 小结116
• 5.3 平面异质结有机太阳能电池J-V特性的数值模型116-122
• 5.3.1 理论与模型116-117
• 5.3.2 无光照时pentacene/C_(60)平面异质结太阳能电池的JV曲线分析117-119
• 5.3.3 光照时pentacene-C_(60)平面异质结太阳能电池的JV曲线分析119-122
• 5.4 本章小结122-124
• 参考文献124-125
• 第六章、总结与展望125-132
• 6.1 总结125-127
• 6.2 展望127-131
• 参考文献131-132
• 附录1、物理量符号列表132-134
• 附录2、缩略词列表134-136
• 在学期间的研究成果136-138
• 致谢138

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