聚合物太阳能电池中光吸收增强效应的研究汇总.pdfVIP

摘 要 聚合物太阳能电池因其可溶液成膜的制备工艺、可弯曲和大面积成膜的优势及光 学吸收波长的可调谐性等，对于新能源的开发和应用具有重要意义和潜在价值。聚合 物太阳能电池的光学吸收效率决定了器件的能量转化效率，如何增强电池的光学吸收 已成为该研究领域内的一个研究方向而受到越来越广泛的关注。本研究工作以此为出 发点，以传统P3HT：PCBM体系聚合物太阳能电池为研究对象，以光学电磁场理论和 光电转换模型为依据，通过优化功能层厚度、光学问隔层厚度、采用叠层器件结构、 光栅结构以及基于等离子体局域场增强作用等来实现聚合物太阳能电池的光吸收增 强。论文结合FDTD和RCWA数学计算，深入研究了聚合物太阳能电池器件的制备 工艺、聚合物薄膜的光学常数和厚度测定、特殊器件结构的光电场分布及器件光学与 光电性能。 论文从光学电磁理论和光电转换与载流子输运过程两方面对聚合物太阳能电池 光生电流的物理机制进行论述。由光学传递矩阵推导出聚合物太阳能电池内光电场分 限制电流(SCLC)模型为理论依据，定性地描述了聚合物太阳能电池吸收光子并产 生电流的物理过程，并详细推导了激子分离概率、净电荷产生率、光生电流与电压的 数学方程。 基于材料的F．B色散模型，通过对反射(透射)光谱拟合法测定了实际制备的聚 合物太阳能电池中几种常用功能薄膜的光学常数(包括折射率和消光系数)和厚度。 研究分析了不同制备工艺对薄膜光学常数的影响，特别是退火导致P3HT：PCBM薄膜 的表面粗糙度上升，从而引起的可见光波段折射率和消光系数明显增加的现象。 基于光学传递矩阵法并结合激子分离概率函数，优化了单层体异质结聚合物太阳 能电池的功能层厚度。理论和实验结果表明：在器件结构为ITO(100nm) nm左右；通过加入高折射率的Ti02光学间隔层，在不降低光子吸收的条件下，使最 优厚度进一步变薄：即当Ti02为10nlil时，功能层最优厚度降低为75am左右；为 了进一步拓宽聚合物太阳能电池对太阳光的吸收光谱范围，采用有机小分子功能层 U1 nm一900 ／LiF(1nm)／Al(120nm)09叠层器件的理论分析表明：器件在近红外光谱区780 nm的光学吸收仍有20％左右，采用该叠层器件结构有效地增强了电池对太阳光中780 nm．900 nm近红外光谱区的光吸收。 研究了利用Ag纳米颗粒的等离子体局域场加强效应增强聚合物太阳能电池器件 功能层对光的吸收。利用FDTD方法研究了银纳米颗粒在聚合物太阳能电池中不同 的包围层介质内的光电场分布，分析了银纳米颗粒对聚合物功能层的吸收增强作用。 采用物理沉积后处理的方法制备了银纳米颗粒，制备了相应的聚合物太阳能电池，并 测试了不同包围层介质的Ag等离子体器件的外量子效率，实验证明：加入Ag纳米 颗粒后的器件明显比参考器件的外量子效率要高，并以NiO作为包围层介质的聚合 物太阳能电池的外量子效率为最高。 研究了亚微米光栅结构对聚合物太阳能电池的光学吸收增强作用，采用了微压印 技术：利用CD光盘作模板并采用热固化柔性硅橡胶PDMS作为印章，在空穴传输 层PEDOT：PSS表面制作了最小周期为1．6 gm的亚微米尺度光栅结构。借助于FDTD 和RCWA数学工具，分析了器件内光电场分布，以及不同深度和占空比的光栅结构 对器件光学吸收的影响。理论分析表明：PEDOT：PSS上引入光栅能够改善聚合物功 nm 能层P3HT：PCBM以及整个器件的光学吸收。当光栅周期为1um时，光栅深度10 以及较小的占空比会增强器件的光学吸收。并从实验上验证了光栅结构对器件性能的 改善． 关键词：聚合物太阳能电池；光学常数；时域有限差分；等离子体；微压印 IV Abstract an solarcellshavereceivedconsidera