一维光子晶体在半透明聚合物太阳能电池中的应用研究

【摘要】：近年来,随着科技进步和人们生活水平提高,太阳能电池的应用不再局限于太阳能发电,光伏建筑一体化已然成为太阳能光伏产业的新兴领域,能够发电且透光的半透明太阳能电池应运而生,其中以聚合物材料为吸收层半透明聚合物太阳能太阳能电池异军突起,因其可弯曲、质量轻的优点,可以应用在便携式电子设备、户外用品、汽车、立体农业大棚等等领域,突破了半透明无机太阳能电池仅可以在房屋建筑上应用的拘束,对光伏产业带来了全新的理念冲击,成为最具潜力的半透明太阳能电池。目前对半透明聚合物太阳能电池的研究主要集中于解决光电转换效率和透过率之间的矛盾,以及提高电池透射光的显色性质两大问题。围绕研究热点,结合近几年对半透明聚合物太阳能电池研究的实验和理论基础上,本论文提出了一种能够有效的解决困扰半透明聚合物太阳能电池领域的两大难题的方法--制作基于一维光子晶体的半透明聚合物太阳能电池。首先利用一维光子晶体的具有光子禁带的特点,设计与半透明聚合物太阳能电池的有源层吸收光谱对应的一维光子晶体,并制作到半透明顶电极顶部,提高光吸收的同时保证了半透明电池在吸收弱区域的透射率,有效的解决了半透明电池效率和透过率之间的矛盾。然后,制作光子禁带与有源层吸收光谱互补的一维光子晶体,将吸收弱的光反射回电池内部,降低整个可见光范围内透射光谱的起伏程度,可以得到高显色指数的半透明聚合物太阳能电池。本论文分别在P3HT:PC60BM、P3HT:IC60BA、PSBTBT:PC60BM及PCDTBT:PC70BM四种有源层半透明聚合物太阳能电池中验证了以上的结构设计。首先,对于P3HT:PC60BM半透明聚合物太阳能电池,我们设计了中心波长为520nm的一维光子晶体,形成的光子禁带的高反射区域与P3HT:PC60BM有源层的吸收范围对应,能够将有源层吸收的光重新反射回有源层吸收,提高光电转换效率。同时,对于有源层吸收弱的光,一维光子晶体具有良好的透射率,保证了半透明电池对于光的透射性要求。当一维光子晶体的周期数为8时,电池的效率从2.04%提高到2.58%,600-780nm范围内的平均透射率达到了40%。其次,对于对于开路电压更高的P3HT:IC60BA有源层结构半透明聚合物太阳能电池,我们设计了两种一维光子晶体晶体。第一种为与P3HT:IC60BA吸收相同的中心波长为520nm的一维光子晶体,用于提高了电池的光电转换效率。当周期数为8时,半透明聚合物太阳能电池的效率从3.32%提高到4.12%,380-780nm范围内的平均透射率为34%。第二种为中心波长为680nm的一维光子晶体,用于提高P3HT:IC60BA有源层结构半透明聚合物太阳能电池的显色指数。该一维光子晶体的中心波长对应有源层吸收弱的区域,可以拉平半透明电池的整体透射光谱,提高电池显色指数。同时由于一维光子晶体在有源层吸收强的区域仍具有一定的反射率,电池的效率得到小范围提高。在AM1.5G照明光源的照射下,当周期数为4时,计算得到电池透射光的显色指数从78提高到91,色差从0.027降低到0.0035。测试得到的效率从4.14%提高到5.12%,380-780nm的平均透射率从39.0%降低到26.7%。可以看出,半透明电池效率、显色指数的提高,是以平均透射率的降低为代价的。由于半透明电池应用要求为平均透射率25%左右,因此使用一维光子晶体的半透明电池的透射率仍满足应用要求。然后,对于PSBTBT:PC60BM有源层,我们也设计了两种一维光子晶体。第一种为中心波长为680nm的一维光子晶体,形成的光子禁带的高反射区域与PSBTBT:PC60BM有源层的吸收范围对应,能够提高光电转换效率,当一维光子晶体周期数为8时,效率从1.92%提高到2.46%,380-580nm范围内的平均透射率达到了40%。第二种为中心波长为520nm的一维光子晶体,用于PSBTBT:PC60BM有源层结构半透明电池的显色指数。在AM1.5G照明光源的照射下,一维光子晶体周期数为3时,计算得到电池透射光的显色指数从77提高到91,色差从0.0308降低到0.0045。测试得到的效率从3.43%提高到4.01%,380-780nm的平均透射率为32.99%。最后,在PCDTBT:PC70BM半透明聚合物太阳能电池上,我们设计了三种中心波长的一维光子晶体结构,进一步验证一维光子晶体对半透明电池性能的影响。第一种是中心波长为550nm的一维光子晶体,形成的光子禁带的高反射区域与PCDTBT:PC70BM有源层的吸收范围内光电转换强的区域对应,能够有效提高电池整体效率,当一维光子晶体周期数为8时,效率从4.24%提高到5.16%,提高了21.7%,380-780nm范围内的平均透射率为29.3%。第二种中心波长为450nm的一维光子晶体,用于反射PCDTBT:PC70BM吸收范围内短波长的光,提高500nm以下的IPCE,从而提高电池效率。当一维光子晶体周期数为8时,电池的效率从4.24%提高到4.84%,提高了14.2%,380-580nm范围内的平均透射率为32.5%。第三种是中心波长为730nm的一维光子晶体,用于提高PCDTBT:PC70BM半透明电池的显色指数。为了证明我们的显色指数提高的普遍性,在显色指数计算过程中,我们使用了三种照明光源:电池领域常用的AM1.5G照明光源,代表平均日光的标准照明体D65,及代表家用钨丝灯的标准光源A(颜色偏黄)。对于周期为5的一维光子晶体半透明电池,显色指数分别为97、95、96。说明我们的结构设计非常成功,对于不同性质的光源都能够得到高的显色指数,有效的保持光的性质。同时电池的效率从4.87%提高到5.31%,380-780nm的平均透射率为25.1%。综上所述,我们成功的将一维光子晶体应用到了P3HT:PC60BM、P3HT:IC60BA、PSBTBT:PC60BM及PCDTBT:PC70BM四种有源层半透明聚合物太阳能电池中。通过对不同的有源层材料,设计不同中心波长的一维光子晶体来提高电池的光电转换效率及显色指数,有效的解决了困扰半透明聚合物太阳能电池领域的两大问题。因此可以认为,本论文中提出的将一维光子晶体应用到半透明聚合物太阳能电池的设计方法,为半透明聚合物太阳能电池的广泛生产应用提供了有效的科学依据,是解决半透明电池应用领域难题的关键技术,具有重要研究意义。本论文的实验和计算结论为半透明聚合物太阳能电池的广泛应用提供了夯实的基础。 【关键词】：半透明聚合物太阳能电池 一维光子晶体 光电转换效率 透过率 显色指数
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-16
• 第一章 绪论16-49
• 1.1 引言16-17
• 1.2 太阳能电池17-19
• 1.2.1 太阳能17-18
• 1.2.2 太阳能电池简介18-19
• 1.3 聚合物太阳能电池19-38
• 1.3.1 聚合物太阳能电池简介19-21
• 1.3.2 聚合物太阳能电池的工作原理21-23
• 1.3.3 聚合物太阳能电池结构23-26
• 1.3.4 太阳能电池的等效电路26
• 1.3.5 太阳能电池的主要参数26-30
• 1.3.6 聚合物太阳能电池的研究进展30-38
• 1.4 半透明聚合物太阳能电池38-47
• 1.4.1 半透明聚合物太阳能电池的研究背景及意义38
• 1.4.2 半透明聚合物太阳能电池的研究进展38-47
• 1.5 本论文研究意义及主要内容47-49
• 第二章 一维光子晶体在P3HT:PC_(60)BM半透明聚合物太阳能电池中的应用研究49-82
• 2.1 引言49-50
• 2.2 光子晶体50-54
• 2.2.1 光子晶体的发展50-51
• 2.2.2 光子晶体的分类51-52
• 2.2.3 光子晶体的特点52-54
• 2.3 一维光子晶体54-66
• 2.3.1 一维光子晶体的研究方法55-58
• 2.3.2 一维光子晶体的色散关系58-61
• 2.3.3 一维光子晶体的光子禁带宽度与光学周期的关系61-63
• 2.3.4 一维光子晶体的光子禁带宽度与折射率比值的关系63-64
• 2.3.5 一维光子晶体的光子禁带宽度与光学厚度的关系64
• 2.3.6 一维光子晶体的光子禁带宽度与入射角度的关系64-66
• 2.4 一维光子晶体提高P3HT:PC_(60)BM半透明聚合物太阳能电池效率的研究66-81
• 2.4.1 结构设计思想67
• 2.4.2 实验仪器67-68
• 2.4.3 器件制备68-74
• 2.4.4 测试及计算结果分析74-81
• 2.5 本章小结81-82
• 第三章 一维光子晶体在P3HT:IC_(60)BA半透明聚合物太阳能电池中的应用研究82-126
• 3.1 引言82
• 3.2 一维光子晶体提高P3HT:IC_(60)BA半透明聚合物太阳能电池效率的研究82-91
• 3.2.1 结构设计思想82
• 3.2.2 器件制备82-84
• 3.2.3 测试及计算结果分析84-91
• 3.3 一维光子晶体提高P3HT:IC_(60)BA半透明聚合物太阳能电池显色指数的研究91-124
• 3.3.1 光源的色度学理论91-110
• 3.3.2 结构设计思想110
• 3.3.3 器件制备110-111
• 3.3.4 测试及计算结果分析111-124
• 3.4 本章小结124-126
• 第四章 一维光子晶体在PSBTBT:PC_(60)BM半透明聚合物太阳能电池中的应用研究126-144
• 4.1 引言126
• 4.2 一维光子晶体提高PSBTBT:PC_(60)BM半透明聚合物太阳能电池效率的研究126-133
• 4.2.1 结构设计思想126-127
• 4.2.2 器件制备127-129
• 4.2.3 测试及计算结果分析129-133
• 4.3 一维光子晶体提高PSBTBT:PC_(60)BM半透明聚合物太阳能电池显色指数的研究133-143
• 4.3.1 结构设计思想133-134
• 4.3.2 器件制备134-135
• 4.3.3 测试及计算结果分析135-143
• 4.4 本章小结143-144
• 第五章 一维光子晶体在PCDTBT:PC_(70)BM半透明聚合物太阳能电池中的应用研究144-187
• 5.1 引言144
• 5.2 中心波长 550nm的一维光子晶体提高PCDTBT:PC_(70)BM半透明聚合物太阳能电池效率的研究144-155
• 5.2.1 结构设计思想144-145
• 5.2.2 器件制备145-147
• 5.2.3 测试及计算结果分析147-155
• 5.3 中心波长 450nm的一维光子晶体提高PCDTBT:PC_(70)BM半透明聚合物太阳能电池效率的研究155-163
• 5.3.1 结构设计思想155-156
• 5.3.2 器件制备156
• 5.3.3 测试及计算结果分析156-163
• 5.4 一维光子晶体提高PCDTBT:PC_(70)BM半透明聚合物太阳能电池显色指数的研究163-185
• 5.4.1 结构设计思想163
• 5.4.2 器件制备163-164
• 5.4.3 测试及计算结果分析164-185
• 5.5 本章小结185-187
• 第六章 总结与展望187-191
• 6.1 总结187-189
• 6.2 展望189-191
• 参考文献191-211
• 作者简介及科研成果211-214
• 致谢214

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