基于本体异质结型聚合物太阳能电池光电性能的研究

论文摘要

聚合物太阳能电池具有材料种类多、质轻、柔性、易加工、可大面积成膜、分子及薄膜性质的可设计性等显著优点,被看作是硅基太阳能电池廉价、优质的替代品,但存在着能量转换效率较低的缺陷。本论文围绕聚合物本体异质结型太阳能电池开展以下研究工作。首先,本文对五种不同结构的聚合物太阳能电池的光电转换机理做了详细叙述,并综述了提高聚合物太阳能电池能量转换效率的有效途径。其次,本文通过对聚合物太阳能电池等效电路进行分析,以太阳能电池IV特性为基础,建立了Matlab/Simulink仿真环境下的聚合物太阳能电池的等效仿真模型,定量模拟了不同的光照强度以及不同串联电阻、并联电阻对光伏电池输出特性的影响,得到了接近实际器件的性能特性。从仿真的结果可以得出以下结论:1、太阳能电池是一种非线性器件,其输出量与多个变量如环境温度、日照强度、串联电阻、并联电阻都密切相关。2、光照强度的大小直接影响太阳能电池输出电能的多少。太阳能电池的输出功率、短路电流、开路电压都随着光照强度的增强而增加。3、串联电阻、并联电阻对器件的IV特性的影响较大。随着串联电阻的减小,器件的短路电流增大,且器件的性能包括填充因子、能量转换效率等增强明显。随着并联电阻的增大,器件的开路电压增强。也说明了光伏器件的开路电压主要受并联电阻Rsh的影响,随着并联电阻的增大而增大,与串联电阻无关。并联电阻对短路电流基本没有影响,同时串联电阻对开路电压也没有影响。而较小的串联电阻和较大的并联电阻能够产生较高的填充因子,器件的能量转换效率也会提高。最后,我们在实验中制备了7组电池器件用于测量与表征。通过制备利用不同的热处理方式后的电池器件,对其表面形貌、IV特性曲线、PV特性曲线的比较分析,得到了不同的热处理方式对电池器件的开路电压、短路电流、填充因子以及能量转换效率的影响。在ITO/ PEDOT:PSS / PCBM:P3HT /Al结构中,热处理在使器件活性层吸收光谱红移的同时,还增加了活性层的表面粗糙度,提高了活性层的结晶度,使P3HT与PCBM出现了相分离,有利于载流子在互穿网络结构中传输,一定程度上提高了有机半导体材料的载流子迁移率。热后处理的方式不仅改变了活性层的相分离,而且可能改变了活性层与金属电极的接触表面状态,活性层的表面出现了相对的凹凸不平,这种凹凸的表面可能增大了活性层与Al电极的接触面积,从而更有利于电极对于载流子的吸收提取。同时,经过热处理后的电池器件串联电阻极大地减小,而表面粗糙度的增加,在很大程度上减少了光的反射,从而达到提高短路电流、开路电压和填充因子的目的。我们对经过不同热处理方式的三组实验样品进行IV特性的测量,结果发现经过热前处理的电池器件的开路电压VOC、短路电流密度JSC、填充因子FF分别为0.421V、1.53mA/cm2、30.79%,比未经过热处理的电池器件的开路电压、短路电流密度、填充因子分别提高了71.8%、30.8%、26.2%,而能量转换效率更是从0.08%提高到0.21%。而经过热后处理的器件,比较热前处理的器件,虽然开路电压增加不大,填充因子出现略微下降,但是短路电流密度却由1.53mA/cm2提高到5.03mA/cm2,能量转换效率从0.21%提高到0.77%,提高了近3倍。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 聚合物太阳能电池的优势
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本论文主要任务
• 第二章 太阳能电池的光吸收及其IV 特性
• 2.1 太阳辐射光谱
• 2.2 半导体PN 结及太阳电池IV 特性
• 2.2.1 半导体能带结构及其光吸收
• 2.2.2 分子的基态、激发态和电子跃迁
• 2.2.3 P-N 结光生特伏效应
• 2.2.4 光电池的简化等效图
• 2.3 太阳能电池的主要性能参数
• 2.3.1 特性曲线（Characteristic Curve）
• 2.3.2 短路电流ISC（Short-circuit Current）
• 2.3.3 开路电压VOC（Open-circuit Voltage）
• 2.3.4 填充因子FF（Fill Factor）
• 2.3.5 能量转换效率ηP
• 2.3.6 太阳能电池的光谱响应特性
• 第三章 聚合物/有机太阳能电池的机理及提高转换效率的途径
• 3.1 聚合物/有机太阳能电池的光电转换原理及基本结构
• 3.1.1 有机光伏效应的特点
• 3.1.2 聚合物太阳能电池的光电转换原理
• 3.1.3 光电流和暗电流形成过程
• 3.1.4 激子吸收以及光电转换过程中的损失机制
• 3.1.5 聚合物太阳能电池的的器件结构
• 3.2 聚合物/有机太阳能电池存在的不足
• 3.3 提高聚合物太阳能电池能量转换效率的途径
• 3.3.1 改善活性层薄膜形貌
• 3.3.2 改善电极与活性层接触面
• 3.3.3 选择合适受体材料
• 3.3.4 加入光学间隔层（Optical spacer）改善光吸收
• 第四章 聚合物/有机太阳能电池光伏特性的模拟与仿真
• 4.1 太阳能电池等效电路
• 4.2 Simulink 仿真模型及数据分析
• 4.2.1 PSC-IV 特性仿真系统
• 4.2.2 Rs-Isc 特性仿真系统
• 4.2.3 Rsh-Voc 特性仿真系统
• 4.3 小结
• 第五章 聚合物太阳能电池光电特性实验分析
• 5.1 实验系统与设备
• 5.1.1 超净环境系统
• 5.1.2 高真空多源蒸发镀膜设备
• 5.1.3 太阳能模拟器
• 5.1.4 太阳能电池I-V 测试系统
• 5.1.5 薄膜形貌表征设备
• 5.2 聚合物太阳能电池器件的制备
• 5.2.1 整体实验流程
• 5.2.2 电池器件制备方案
• 5.3 实验结果与分析
• 5.3.1 未经过热处理的本体异质结器件光电特性
• 5.3.2 SEM 薄膜形貌测量与分析
• 5.3.3 器件IV 特性分析
• 5.4 小结
• 5.5 实验中不足与展望
• 5.5.1 实验不足与改进方向
• 5.5.2 展望
• 参考文献
• 附图
• 致谢