PIN型有机太阳能电池光学特性的数值模拟

【摘要】：近年来伴随着环境恶化,太阳能作为可再生的清洁能源引起了广泛关注。特别是有机太阳能电池因其具有环境负荷低、柔性好、制备易、材料广和成本低等优势成为国内外的研究热点。有机太阳能电池由透明玻璃基底、电极和多层有机层构成。由于入射光在薄膜内部相邻各界面层的多个反射与折射,光的干涉效应对活性层光吸收影响很大,因而电池的光吸收效率与其材料组成、入射光谱、器件厚度及结构等是密不可分的。而通过光学模拟可以清楚的看出它们之间的关系且预测相关电学性能。如今,传输矩阵法作为一种简单实用的光学模拟方法已经广泛应用于有机太阳能电池的相关性能研究。本文中,基于传输矩阵模型,应用MATLAB计算软件自编程序模拟进行有机太阳能电池的光学计算。对几种典型结构的有机太阳能电池进行了光学模拟,分析了其光学性能,并得出优化的器件结构。首先模拟了小分子平面异质结有机太阳能电池在不同的入射波长、不同的给体和受体厚度时,器件内部的光电场分布,研究其对电池光学性能的影响。针对ITO/Zn Pc/C60/Al结构,有机活性层整体厚度为80nm、100nm和120nm时,Zn Pc和C60的最佳厚度比例分别为3:5、11:9和7:5。其次,分析了聚合物有机太阳能电池的体相异质结和PIN型结构,在不同有机活性层混合比和不同有机活性层厚度对有机聚合物太阳能电池光学性能的影响。针对体相异质结结构ITO/P3HT:PCBM/Ag,P3HT:PCBM混合比1.2:1的器件比1:1的器件的光强较大;有机层P3HT:PCBM(1:1)的最佳厚度是在210nm左右;加入了阴极缓冲层Ti O2之后,体相异质结器件内部的光电场分布发生变化,光会在有机太阳能电池内重新分布。对于PIN型结构ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV:PCBM/n-C60/Li F/Al,本征吸收层厚度为40nm时,器件内部光电场达到最优化分布。相较于体相异质结结构,PIN型结构更优越。总之,不同波长入射时有机太阳能电池内部光电场分布不同。并且不同结构、不同的有机活性层厚度和体相异质结不同混合比都对有机太阳能电池的光学性能有很大影响,进而会影响器件效率。本文的研究为有机太阳能电池进一步提高能量转换效率提供了一定的理论参考。 【关键词】：有机太阳能电池 光学模型 传输矩阵法 有机活性层 光电场分布
【学位授予单位】：西安石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 绪论8-16
• 1.1 研究背景及意义8-9
• 1.2 有机太阳能电池的分类9-12
• 1.2.1 有机太阳能电池按材料分类9-10
• 1.2.2 有机太阳能电池按结构分类10-12
• 1.3 有机太阳能电池的研究进展12-15
• 1.3.1 有机太阳能电池的发展12-13
• 1.3.2 有机太阳能电池数值模拟研究进展13-14
• 1.3.3 理论研究的必要性14-15
• 1.4 本论文的研究内容和结构15-16
• 第二章 有机太阳能电池工作原理和传输矩阵理论模型16-26
• 2.1 有机太阳能电池16-18
• 2.1.1 光伏效应16
• 2.1.2 有机太阳能电池工作原理16
• 2.1.3 有机太阳能电池光电转换的四个基本过程16-17
• 2.1.4 有机太阳能电池的光电转换效率17-18
• 2.2 传输矩阵法简介18-20
• 2.2.1 光在界面上的反射与折射18-19
• 2.2.2 菲涅耳公式19
• 2.2.3 电磁场边界条件19-20
• 2.3 有机太阳能电池的矩阵光学计算模型20-23
• 2.3.1 光学模型20
• 2.3.2 入射光为平面波时器件内部光电场的计算20-23
• 2.4 MATLAB简介23-25
• 2.5 小结25-26
• 第三章 平面异质结有机太阳能电池光学特性的数值模拟26-33
• 3.1 引言26
• 3.2 材料简介26-27
• 3.3 平面异质结结构模拟计算27-32
• 3.3.1 不同波长入射时的光电场分布28
• 3.3.2 有机层总厚度一定时给体受体层的优化28-31
• 3.3.3 C60厚度对电池光电场分布的影响31-32
• 3.4 本章小结32-33
• 第四章 体相异质结和PIN型有机太阳能电池光学特性的数值模拟33-44
• 4.1 引言33
• 4.2 实验部分33-35
• 4.2.1 材料简介33-34
• 4.2.2 薄膜光学常数的获得34-35
• 4.3 体相异质结结构的光学模拟35-39
• 4.3.1 不同混合比对体相异质结光电场分布的影响35-37
• 4.3.2 不同有机活性层厚度对体异质结光电场分布的影响37-39
• 4.3.3 阴极缓冲层对光电场分布的影响39
• 4.4 PIN型结构39-43
• 4.4.1 PIN型电池内部光电场分布40
• 4.4.2 不同本征层厚度对PIN型电池光电场分布的影响40-42
• 4.4.3 体异质结和PIN型结构光电场分布的差异42-43
• 4.5 本章小结43-44
• 第五章 总结与展望44-46
• 5.1 总结44
• 5.2 展望44-46
• 致谢46-47
• 参考文献47-52
• 附录52-54
• 攻读硕士学位期间发表的论文54-55

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