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新型结构有机光伏电池的性能研究

作　者: 吴京京
导　师: 程东明
学　校: 郑州大学
专　业: 光学工程
关键词: 有机太阳能电池光场分布阴极修饰伏安特性
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

一直以来,能源问题制约着当今世界经济的发展,太阳能作为一种环保能源以其诸多的优势而受到科学家的青睐,太阳能电池可直接把太阳能转化为电能,可有效地解决能源危机问题。有机太阳能电池制作工艺简单,生产成本低廉,便于大面积制造,因此受到了更多研究者的关注。本论文则是针对基于CuPc/C60的有机小分子太阳电池的研究,期望能进一步的改善器件的性能,主要从以下几个方面进行研究：首先对CuPc/C60光伏电池进行光学模拟,根据光学干涉原理和扩散理论建立模型,通过理论计算,分析得到器件内部的光场分布情况,在此基础上讨论了激活层厚度的变化对激子产率的影响,最后得到在给定的ITO基底上所得到的最佳优化结构为：ITO(150nm)/CuPc(20nm)/C60(60nm)/Al(1 OOnm),这将有助于在实验中对器件结构的确定。当然,在计算过程中进行了多次简化和假设,因此最后得到的计算结果会与实验结果之间存在一定的差异。在上述优化后的结构基础上,我们利用热蒸发蒸镀技术制备了插入阴极修饰层NaCl后的有机光伏电池,实验表明器件的输出特性有了显著的改善。虽然模拟显示,NaCl层并没有对其光场分布产生显著的影响,但实验表明它对其伏安特性的影响还是较为显著的,当NaCl层的厚度为1nm时,与无NaCl修饰层相比,短路电流密度提高了约2.3倍,开路电压提高了7mV,光电转换效率提高了约2倍。为此在这一小节中,我们还利用隧穿效应建立模型,简单分析了NaCl层对器件性能影响的机理,最后通过实验方法确定NaCl层的最佳厚度为1.5nm,过薄或过厚都会引起器件性能的衰减。最后,我们建立光伏电池的等效电路数值模型,并主要利用MATLAB软件仿真模拟,重点讨论非理想因素对光电池伏安特性的影响。具体分析了电池的串、并联电阻等因素对器件开路电压、短路电流密度、填充因子的影响。通过模拟分析,在这里可以得到如下结论：串联电阻的减小可有效的提高短路电流和填充因子的大小,同时较大的并联电阻有益于器件性能的提高。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-10
1 绪论  10-18
  1.1 有机太阳能电池的产生背景  10-12
    1.1.1 当今世界所面临的能源问题  10-11
    1.1.2 太阳能的绝对优势  11
    1.1.3 中国太阳能资源分布特点  11-12
  1.2 太阳能电池的分类  12-14
  1.3 有机太阳能电池器件的构型及实例  14-16
    1.3.1 单层结构器件  14-15
    1.3.2 双层结构器件  15-16
    1.3.3 体异质结结构器件  16
  1.4 电极材料  16-18
2 太阳能电池的工作原理、特征参数及提高效率的方法  18-29
  2.1 太阳能电池的工作原理  18-19
  2.2 光伏电池的主要性能参数和等效电路  19-20
    2.2.1 光伏电池的主要性能参数  19-20
    2.2.2 光伏电池的等效电路  20
  2.3 光伏电池的基础表征  20-22
    2.3.1 光伏电池的光谱响应特性  20-21
    2.3.2 光伏电池的伏安特性  21-22
    2.3.3 光伏电池的温度特性  22
  2.4 提高有机光伏电池性能的方法  22-27
    2.4.1 增强光吸收  22-25
    2.4.2 器件的热处理  25
    2.4.3 电极的修饰  25-27
  2.5 本论文的研究内容  27-29
3 有机太阳能电池的内部光场模拟及器件结构优化  29-43
  3.1 外量子效率的分析  29-30
  3.2 有机光伏电池的理论知识  30-36
    3.2.1 有机光伏电池光电场分布  30-34
    3.2.2 有机光伏电池光生激子的产生  34-36
  3.3 有机光伏电池模型的建立和分析  36-41
    3.3.1 有机光伏器件内部光场分布模拟  36-38
    3.3.2 钛菁铜CuPc厚度对激子产生率的影响  38-40
    3.3.3 富勒烯C60厚度对激子产生率的影响  40-41
  3.4 小结  41-43
4 NaCl缓冲层对有机光伏电池性能的影响  43-56
  4.1 研究背景  43
  4.2 新型异质结结构光伏电池的研究  43-55
    4.2.1 给体材料钛菁铜CuPc及受体材料C60的性质  43-44
    4.2.2 薄膜制备工艺  44-47
    4.2.3 器件的结构设计及能级分析  47-48
    4.2.4 器件的实验制备过程  48-49
    4.2.5 器件的吸收光谱的测量及分析  49-50
    4.2.6 NaCl修饰层对器件特性的影响及分析  50-55
      4.2.6.1 实验结果  50-52
      4.2.6.2 缓冲层作用机理的研究分析  52-53
      4.2.6.3 NaCl阴极修饰层厚度的优化  53-55
  4.3 小结  55-56
5 有机太阳能电池伏安特性分析  56-64
  5.1 有机光伏电池等效电路  56-57
  5.2 串联电阻对短路电流J_(SC)的影响  57-59
  5.3 并联电阻对开路电压V_(OC)的影响  59-60
  5.4 串联电阻R_S对伏安特性的影响  60-62
  5.5 并联电阻R_(SH)对伏安特性的影响  62-63
  5.6 小结  63-64
6 总结  64-65
参考文献  65-70
致谢  70-71
个人简历与硕士期间发表论文  71

新型结构有机光伏电池的性能研究

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