本体异质结有机太阳能电池的数值模拟

【摘要】：太阳能电池是太阳能利用的最为重要的手段之一,有机太阳能电池是目前该领域的研究热点之一,因为它具有原料成本低廉且易修饰、制作工艺简单、可制成大面积的柔性器件等优点。自从它诞生以来,人们就通过实验和理论研究途径来提高其光电转换效率。本文以较完善的无机半导体理论、成对复合理论为基础,根据Koster等人建立的数值模型,具体分析了数值处理过程,模拟了基于P3HT"PCBM的本体异质结有机太阳能电池的J-V特性,以及短路和开路情况下,器件内部参数的分布情况,探讨了激子的产生速率、带隙宽度、活性层厚度和温度对短路电流密度、开路电压的影响,研究结果表明： (1)室温下,理想的P3HT：PCBM本体异质结有机太阳能电池的短路电流密度的大小为58.36A/m2,开路电压为0.512V。在短路情况下,内部的电场强度高,激子的分离概率较高(约50%),载流子的浓度较低,导致载流子的复合率较低,此时激子的分离概率是影响能量转换效率的主要因素。在开路情况下,内部的电场较小,激子的分离概率较低(约32%),载流子的浓度较高,导致载流子的复合率较高。 (2)激子的产生速率在3.0×1027口12.0×1027m-3s-1范围内变化,短路电流密度的大小和开路电压均随着激子产生速率增大而增大,相对而言激子产生速率对短路电流密度的影响更显著；带隙宽度在1.0-1.60eV内变化,短路电流密度的大小随着带隙宽度增大而增大,开路电压也线性增大,且开路电压与带隙宽度之间相差0.49；活性层厚度在80～200nm范围内变化,短路电流密度的大小随着活性层厚度的增大呈先增大后减小的趋势,在160nm附近有最大值,而开路电压随着活性层厚度的增加而减小；温度在280～330K内变化,短路电流密度的大小会随着温度升高而增大,而开路电压随着温度增加而减小,温度在240～400K内变化时,温度每升高1K,开路电压下降约0.65mV。 (3)各因素对短路电流密度、开路电压的影响关系可以用不同的方法找出：用短路时的程序直接模拟出短路电流密度的变化,用“试探值法”找出开路电压的变化,另外可以通过模拟J-V特性的变化来找出短路电流密度和开路电压的变化。不同方法得到的结果一致,但有各自的优缺点。 【关键词】：本体异质结有机太阳能电池 短路电流密度 开路电压 数值模拟
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-10
• 1 绪论10-26
• 1.1 有机太阳能电池简介11-15
• 1.1.1 有机太阳能电池的研究进展11-12
• 1.1.2 有机太阳能电池的工作原理12-13
• 1.1.3 提高有机太阳能电池效率的途径13-15
• 1.2 有机太阳能电池材料15-18
• 1.2.1 给体材料15-17
• 1.2.2 受体材料17
• 1.2.3 分子D-A结材料17-18
• 1.2.4 电极材料18
• 1.3 有机太阳能电池的结构类型18-21
• 1.3.1 单层结构18-19
• 1.3.2 双层异质结结构19-20
• 1.3.3 本体异质结结构20
• 1.3.4 叠层结构20-21
• 1.4 有机太阳能电池的主要性能参数21-23
• 1.4.1 开路电压V_(oc)21
• 1.4.2 短路电流I_(sc)21-22
• 1.4.3 填充因子FF22
• 1.4.4 光电转换效率η22
• 1.4.5 有机太阳能电池的温度特性22-23
• 1.5 有机太阳能电池的理论研究23-24
• 1.5.1 理论研究的必要性23
• 1.5.2 有机太阳能电池的理论研究进展23-24
• 1.6 本论文的研究内容和结构24-26
• 2 理论模型与模拟方法26-38
• 2.1 本体异质结有机太阳能电池模型的建立26-30
• 2.1.1 基本公式27-28
• 2.1.2 自由载流子的产生与复合28-30
• 2.2 数值处理方法30-38
• 2.2.1 连续方程离散化处理30-32
• 2.2.2 非线性方程线性化处理32-38
• 3 P3HT：PCBM本体异质结有机太阳能电池的数值分析38-45
• 3.1 P3HT：PCBM本体异质结有机太阳能电池的J-V特性39-40
• 3.2 器件短路时的内部参数分布40-42
• 3.3 器件开路时的内部参数分布42-44
• 3.4 本章小结44-45
• 4 本体异质结有机太阳能电池短路电流密度的数值研究45-53
• 4.1 激子产生速率G对短路电流密度J_(sc)的影响45-47
• 4.2 带隙宽度E_(gap)对短路电流密度J_(sc)的影响47-48
• 4.3 活性层厚度L对短路电流密度J_(sc)的影响48-50
• 4.4 温度T对短路电流密度J_(sc)的影响50-51
• 4.5 优化器件参数后的短路情况51-52
• 4.6 本章小结52-53
• 5 本体异质结有机太阳能电池开路电压的数值研究53-59
• 5.1 激子产生速率G对开路电压V_(oc)的影响53-54
• 5.2 带隙宽度E_(gap)对开路电压V_(oc)的影响54-56
• 5.3 活性层厚度L对开路电压V_(oc)的影响56
• 5.4 温度T对开路电压V_(oc)的影响56-58
• 5.5 本章小结58-59
• 6 本体异质结有机太阳能电池J-V特性的研究59-64
• 6.1 激子产生速率G对J-V特性的影响59-60
• 6.2 带隙宽度E_(gap)对J-V特性的影响60-61
• 6.3 活性层厚度L对J-V特性的影响61-62
• 6.4 温度T对J-V特性的影响62
• 6.5 本章小结62-64
• 7 结论64-66
• 参考文献66-72
• 个人简历与论文发表情况72-73
• 致谢73

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