有机聚合物光伏电池的制备及器件物理性能的模拟

【摘要】： 目前光伏电池研究的方向是开发高效低成本的电池材料和制造技术。有机聚合物光伏电池采用共轭聚合物作为光伏材料,制作工艺简单、成本低廉,可大面积制造,这使得有机聚合物光伏电池的研究越来越受到重视。虽然聚合物光伏电池的研究在最近几年取得了显著的发展,但其光电转换效率仍很低,只有得到高效率、性能稳定的光伏电池,才能实现聚合物光伏电池的商业化。 对于有机聚合物光伏电池效率的提高可以通过材料的选择和器件结构的优化来实现。另外从理论上就器件中激活层的厚度、给体受体所形成的微观结构对光电流、激子分裂效率的影响,电池的串、并联电阻对电池的伏安特性的影响等进行模拟分析,也为我们获得高转换效率的有机光伏电池提供了一个重要途径。 本文首先合成了具有较高的电子亲合能,较大的可见光吸收系数及较好的光稳定性、化学稳定性的有机染料对称N,N′-二苯并咪唑-3,4,9,10-苝四羧酸二亚酰胺(PV),以及溶解性能优良的聚(3-十二烷基)噻吩(PDT)。并将PV作为电子受体材料、PDT作为电子给体材料,制备了不同掺杂比例的PDT-PV复合膜异质结光伏电池ITO/PDT-PV/Al,PV的加入增强了PDT对可见光的吸收,光伏器件的光电流特性明显增大,光电转化效率也得以提高;并研究了退火对复合膜的微观结构有序性、电池的光电转换效率的影响。 在上述光伏电池器件制备和性能测试的基础上,对给体-受体型异质结有机聚合物光伏电池进行了器件模拟和设计。根据光学原理和扩散理论,建立了非相干光吸收模型和激子传输模型,模拟了限制有机光伏效率的两个主要过程:光吸收和激子扩散;并模拟了两相间相分离程度、激子寿命对激子分裂效率的影响。 同时在模拟光电流的基础上,我们又采用等效电路模拟了光伏电池的伏安特性,详细讨论了电池内部的等效串联电阻、并联电阻等参数对光伏电池的短路电流,开路电压,填充因子等性能的影响。 【关键词】：聚合物光伏电池 N N′-二苯并咪唑-3 4 9 10-苝四羧酸二亚酰胺(PV) 聚(3-十二烷基)噻吩(PDT) 模拟
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 绪论8-23
• 1.1 有机光伏电池研究进展8-12
• 1.1.1 引言8-10
• 1.1.2 有机聚合物光伏电池基本原理10-11
• 1.1.3 有机光伏电池存在的问题11-12
• 1.1.4 改善电池的光电效率的途径12
• 1.2 有机光伏电池结构类型12-16
• 1.2.1 单层结构13-14
• 1.2.2 双层异质结结构14-15
• 1.2.3 D/A 互穿网络异质结结构15-16
• 1.2.4 激活层结构存在的问题及其优化设计16
• 1.3 光伏电池的性能参数16-19
• 1.3.1 光伏电池的电流电压特性16-18
• 1.3.2 外量子效率18-19
• 1.3.3 光电转换效率19
• 1.4 有机光伏电池模拟的研究进展19-20
• 1.5 本课题研究对象20-21
• 1.6 本课题的研究内容和意义21-23
• 第二章 PDT、PV 的制备及其光学行为的研究23-35
• 2.1 引言23
• 2.2 苝四羧酸二亚酰胺的制备与表征23-27
• 2.2.1 PV 的合成24-25
• 2.2.2 PV 的表征25-27
• 2.3 苝四羧酸二亚酰胺团聚现象的研究27-30
• 2.3.1 样品的制备27
• 2.3.2 PV 团聚现象的研究27-30
• 2.4 PDT 的合成与表征30
• 2.5 PDT/PV 共混性能的研究30-34
• 2.5.1 PDT/PV 共混溶液的制备30
• 2.5.2 共混溶液的性能测试及分析30-34
• 2.6 小结34-35
• 第三章 PDT/PV 复合膜及其光伏性能的研究35-44
• 3.1 PDT 与PV 复合膜的制备35
• 3.2 PDT/PV 复合膜的性能研究35-38
• 3.2.1 复合膜的制备35-36
• 3.2.2 复合膜的性能研究36-38
• 3.3 PDT/PV 光伏电池的研究38-43
• 3.3.1 电池器件的制备39-41
• 3.3.2 光伏电池的测试41-43
• 3.4 小结43-44
• 第四章 有机光伏电池的理论模拟44-67
• 4.1 引言44-45
• 4.2 激子的模拟45-60
• 4.2.1 光伏电池器件中光场的分布45-48
• 4.2.2 光生激子的产生和传输48-50
• 4.2.3 模拟结果与分析50-54
• 4.2.4 相分离程度、激子寿命对激子分裂效率的模拟54-57
• 4.2.5 电荷传输的模拟57-60
• 4.3 有机光伏电池的伏安特性分析60-66
• 4.3.1 有机光伏电池等效电路61-62
• 4.3.2 短路电流Jsc 的分析62-64
• 4.3.3 开路电压Voc 分析64
• 4.3.4 J-V 伏安特性分析64-66
• 4.4 小结66-67
• 第五章 总结67-69
• 参考文献69-73
• 发表论文和参加科研情况说明73-74
• 致谢74

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