具有多层光学间隔层的聚合物太阳能电池的研究

发布时间：2020-05-15 12:54

【摘要】：聚合物太阳能电池(Polymer Solar Cell,PSC)由于质量轻、制造工艺简单、成本低廉尤其是其可制作在柔性衬底上等诸多优点,已成为近年科学领域的研究重点之一。近年来,将透明电极作为底电极,采用高稳定性金属如金或银作为顶阳极的倒置结构聚合物太阳能电池(inverted polymer solar cell,IPSC)得到了深入研究和广泛应用。对于IPSC器件,有源层对入射光能否充分吸收是决定器件性能的关键。其中在导电阴极和有源层之间加入氧化锌,氧化钛光学间隔层被证明是增强器件有源层光吸收的有效方法,并且在阴极上生长的氧化锌或氧化钛薄膜还同时起到阴极缓冲层的作用,可使阴极、缓冲层和有源层的LUMO能级形成阶梯形势垒,有利于阴极抽取电子并阻挡空穴向阴极的传输。然而目前所报道的光学间隔层皆采用单层氧化锌或氧化钛薄膜,其厚度在30-100nm之间,虽然进一步增加厚度能够增大光学间隔层对器件有源层光强分布的调节范围,使其接近理论上的光强极大值,但由于低温制备的氧化锌或氧化钛薄膜的结晶质量较差,因此厚度的增加同时增大了器件的串联电阻,降低了短路电流,反而使器件的性能下降。如果能够进一步改进光学间隔层的结构,能够在不增加整个器件串联电阻的前提下增强器件内有源层对太阳光的吸收,将对聚合物太阳能电池的性能的提高有着重要价值。在本论文中提出了一种具有多层光学间隔层的聚合物太阳能电池,该结构能有效增强有源层对太阳光的吸收,进而提高器件的能量转换效率(PCE)。首先,本文采用传输矩阵法对这种多层光学间隔层聚合物太阳能电池进行了光学模拟,主要探索了多光学间隔层的结构对IPSC器件短路电流密度的影响。本文选取的多光学间隔层通过在ITO衬底上依次旋涂铯掺杂浓度分别为0.01M,0.005M,0.0025M的铯掺杂氧化锌(Cs-doped zinc oxide,CZO)和未掺杂ZnO薄膜制备而成的。模拟结果显示,采用上述从下到上铯掺杂浓度依次减少的多层光学间隔层能够有效提高有源层的光吸收和器件的短路电流密度(short circuit-current density,J_(SC))。然后,参照以上的光学模拟结果,分别通过实验制备了多层光学间隔层的IPSC器件,实验总共做了3种多层结构的光学间隔层器件(0.0025M CZO/ZnO二层结构,0.005M CZO/0.0025M CZO/ZnO三层结构,0.01M CZO/0.005M CZO/0.0025M CZO/ZnO四层结构),以及单层未掺杂氧化锌光学间隔层的参考器件。在多层光学间隔层的制备工艺中,采用快速热退火对薄膜进行后处理,有效解决了溶胶凝胶法低温制备多层ZnO薄膜中存在的互溶问题。实验结果表明,三层光学间隔层器件的能量转换效率值最佳,能达到3.9%,相比单层光学间隔层器件提高了27.9%。本论文所设计的多层光学间隔层聚合物太阳能电池能够提高有源层对太阳光的吸收,进而提高IPSC器件的能量转换效率。因此该结构的IPSC器件可以作为一种提高聚合物太阳能电池效率的有效方法。
【图文】：

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(2) 激子进行扩散；由于激子是由电子空穴组成的，它是电中性的，它以扩散的方式从产生的地方运动到给体受体的交界面，但是激子的扩散距离是有限的，大约在 5 到 20nm，因此器件的有源层不能做的太厚，，否则会影响器件的性能。(3) 激子进行解离；由于激子存在激子束缚能，因此它的解离需要克服激子束缚能，当激子运动到给体受体的交界面时，由于给体受体之间存在着能级差，使得激子分离成电子和空穴，激子的束缚能大约在 0.3 到0.5eV[9]。(4) 电子空穴的传输与收集；激子解离后，产生的可自由移动的空穴和电子将分别沿有源层的给体和受体材料传输到电极处，在缓冲层的载流子选择作用下被阳极和阴极收集，从而在电池器件的外部电路产生电流和电势差。

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合物太阳能电池的基本参数3 是聚合物太阳能电池的等效电路图，它是用来表示聚合物太一个电路模型，下图由电流源、二极管和电阻组成，其中电路光电流，当光照后，光生载流子累积在电池内部的 PN 结两外部短路，其内部的光生载流子将流通，这时流过太阳能电电流，其方向从 PN 结内部来看是从 N 区指向 P 区的。ID为电由降在负载电阻上的电压形成的，相当于给PN结加上一个正等效成一个正向导通的二极管，该电流的方向与上面提到的短太阳能电池是不利的，应该尽量使其减小[10]。Rsh为电池的并光电流不流过负载，如器件的纵向漏电流等，其数值越大电池的串联电阻，它是由 PN 结的体电阻，结电阻等组成的，其值。I 为流经负载电阻的电流，V 为加在负载电阻上的电压[11]。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4

【参考文献】