基于传输矩阵法的有机太阳能电池光学性能分析

【摘要】：和传统的无机太阳能电池相比，有机太阳能电池（OSC）由于具有材料重量轻、制作成本低、加工性能好以及低的环境负荷等优势，成为目前的研究热点和重点。多年来，提高光吸收效率一直被认为是提高OSC能量转换效率的关键因素之一。而当前大多数的研究都集中在新材料的合成，而利用其相关的物理机制如干涉原理，微腔效应等来提高器件光吸收的报道却相对很少。同时提高电池的光吸收也是提高器件外量子效率一个基本因素。 另外，在有机太阳能电池中，入射波长往往大于各层薄膜的物理厚度并且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的光吸收影响很大，因而电池的光吸收效率与活性层的材料组成、入射波长、器件厚度及结构等是密不可分的。而通过光学模拟则可以很清楚的看出它们之间的关系并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。 本文首先基于传输矩阵法的光学模型以及Matlab软件，简单模拟分析了一种倒装聚合物太阳能电池器件内部各层厚度、入射角度以及器件结构对电池光学性能的影响，并探讨了相关物理机制。结果表明以上各因素对电池的吸光率都有一定程度的影响。 其次，参考聚合物太阳能电池，把微腔结构引入到一种双层异质结小分子太阳能电池中，并探讨了电极对活性层的光吸收影响。模拟结果表明:当把微腔结构引入到双层异质结电池时，对于入射电极，发现活性层的吸光率主要受其反射相移的影响而非其透射率;而当把正负折射率交替的光子晶体引入到电池中作为背电极时，发现活性层的吸光率和背电极反射率、反射相移都有很大关系。 最后，模拟分析了一种以硅为衬底的有机太阳能电池，并重点探讨了硅基有机太阳能电池的折射率匹配层厚度，传输层厚度对活性层光吸收率的影响，结果表明：以Si/SiO2/Ag为背电极，Ag薄膜并外涂一定厚度的折射率匹配层作为入射电极的硅基有机太阳能电池由于微腔效应可以很大程度上优化活性层厚度，且可以代替传统的以Glass/ITO为入射电极的的太阳能电池；通过调节折射率匹配层与传输层到一定厚度可以适当增加活性层光吸收率。 本文的研究为有机太阳能电池相关结构的设计以及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 吸光率 传输矩阵法 光电场分布
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-41
• 1.1 前言11-12
• 1.2 有机太阳能电池及光学模拟国内外研究现状12-14
• 1.2.1 国外研究现状12-13
• 1.2.2 国内研究现状13-14
• 1.3 有机太阳能电池基础知识14-24
• 1.3.1 有机太阳能电池基本结构14-18
• 1.3.2 OSC 工作基本原理18-21
• 1.3.3 OSC 能量损耗步骤21-22
• 1.3.4 OSC 效率表示方法22-23
• 1.3.5 OSC 性能参数23-24
• 1.4 有机太阳能电池制备及测试24-27
• 1.4.1 实验设备24
• 1.4.2 制备过程24-27
• 1.4.3 性能测试27
• 1.5 传输矩阵法基础知识27-34
• 1.5.1 矩阵的概念28-29
• 1.5.2 电磁场边界条件29-30
• 1.5.3 反射与折射定律30
• 1.5.4 菲涅耳公式30-34
• 1.6 有机太阳能电池光学模型34-37
• 1.7 MATLAB 简介与矩阵构造37-39
• 1.7.1 MATLAB 简介37-38
• 1.7.2 矩阵构造38-39
• 1.8 本文的主要研究内容及意义39-41
• 第二章 基于传输矩阵法的聚合物太阳能电池光学性能分析41-51
• 2.1 引言41
• 2.2 实验部分41-42
• 2.3 实验结果与讨论42-50
• 2.3.1 厚度对电池吸光率的影响42-45
• 2.3.2 入射角度对吸光率的影响45-47
• 2.3.3 结构对器件吸光率的影响47-50
• 2.4 本章小结50-51
• 第三章 电极对 CUPC/C60双层异质结有机太阳能电池光学性能影响51-61
• 3.1 引言51
• 3.2 实验部分51-52
• 3.3 实验结果与讨论52-59
• 3.3.1 入射电极透射率以及结构对电池光学性能影响52-55
• 3.3.2 背电极反射率以及结构对电池光学性能影响响55-59
• 3.4 本章小结59-61
• 第四章 硅基有机太阳能电池光学性能分析61-71
• 4.1 引言61
• 4.2 实验部分61-62
• 4.3 实验结果与讨论62-70
• 4.3.1 活性层厚度对吸光率影响62-64
• 4.3.2 匹配层厚度对活性层吸光率的影响64-67
• 4.3.3 传输层厚度对活性层吸光率的影响67-70
• 4.4 本章小结70-71
• 结论71-72
• 参考文献72-78
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果78-79
• 致谢79-80
• 附件80

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