有机太阳能电池的理论模拟及旋涂/静电喷雾法制备
发布时间：2020-12-21 14:14
随着人类对能源的需求和消耗不断增加，研发清洁、绿色且低成本的新能源具有重要意义。有机太阳能电池（OSC）生产成本低、可制备成柔性和便携式器件，并具有卷对卷生产的潜力，是新能源领域最富发展前景的研究方向之一。为进一步提高OSC器件效率，并促进有机太阳能电池的实用化进程，当前对OSC器件的研究主要集中在四个方面：开发具有宽光谱、高载流子迁移率的活性材料；通过理论模拟优化器件结构；采用电极修饰材料提高电荷传输和收集效率；研究能够制备柔性基底／大面积器件的生产制备方法。本文主要对OSC器件的理论模拟、电极修饰，以及静电喷雾法制备进行了研究。对OSC器件的光电转换过程建立理论模型进行仿真模拟，将理论仿真结果与器件实验结果相结合，将有助于理解器件工作机理，优化器件结构设计，指导器件实验的方向。理论模拟方面，本文通过理论模型和数值模拟对器件进行分析与设计。首先根据光学模型和电学模型，设计出能够对OSC器件中电磁场分布和器件效率进行仿真计算的软件系统。通过理论模拟对平面异质结有机太阳能电池的结构进行优化设计，从理论上得到了给体、受体和阴极缓冲层的优化厚度，以及器件中光强分布随各层薄膜厚度的变化规律。通...
【文章来源】：南京邮电大学江苏省
【文章页数】：159 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
全世界每年消耗的能源（百万吨油当量）
有 14％。利用薄膜技术可以显著降低光伏电池的成本，因此第二代光伏电池有望在不久的将来占有更大市场份额。然而，由于受到器件效率较低且材料价格较高的限制，第二代光伏电池的成本难以进一步下降。第三代光伏电池包括多层异质结电池，染料敏化电池和有机光伏电池。多层异质结电池通过将多个不同带隙的单层异质结电池叠加，增加光子吸收，从而可以显著提高器件效率，当前多层异质结光伏电池的最高效率可达 33％[2]。染料敏化太阳能电池（dye sensitized solar cells，DSSC）是模仿光合作用的原理，采用有机染料来增加光吸收3,4]。DSSC 制备简单，成本低，实验室中制备的 DSSC 的效率最高可达 12％[5]，然而其寿命远低于基于无机材料的光伏电池。有机太阳能电池（organic solar cells，OSC）采用有机聚合物或小分子做为活性材料，当前单层 OSC 的实验室效率最高为 9％左右[6,7]，低于无机材料的光伏电池和 DSSC。然而，由于 OSC 具有生产成本低、可制备成柔性和便携式器件、可进行卷对卷生产等潜力，具有广阔的应用和发展前景，近年来得到广泛关注，已成为新材料和新能源领域最富生机和活力的研究课题之一。从 1976 年至 2013 年，各种光伏电池的最高效率如图 1.2 所示[8]。
系的研究兴趣。1986 年，邓青云博士报道了第一个双层结构有机光伏器件（如图 1.3 所示），采用酞菁铜（copper phthalocyanine，CuPc）做为 p 型半导体，四羧基苝的衍生物（perylene-disimide derivatives，PDI）做为 n 型半导体，其功率转换效率（power conversionefficiency, PCE）达到 1％[12]。该研究首次引入了电子给体（p 型）／电子受体（n 型）有机双层异质结的概念，并解释了光伏效率高的原因是由于光致激子在双层异质结界面的光诱导解离效率较高。1992 年，Sariciftci 和 Heeger 及其合作者研究发现，用共轭聚合物作为电子给体和富勒烯（C60）做为电子受体的体系[13]，在光诱导下可发生快速电荷转移且该过程的速率远远大于其逆向过程。原因是 C60表面是一个很大的共轭系统，其电子在由 60 个碳原子组成的分子轨道上离域，因此可以稳定外来电子[9,10]。这一发现，使聚合物太阳能电池的研究成为新的热点。1995 年，Heeger 及其合作者制备出体异质结器件，以聚对苯撑乙炔衍生物（MEH-PPV）作为给体，C60衍生物 PCBM 作为受体，将两种材料共混制成具有互穿网络的活性层，如图 1.4 所示[14]。这种结构中无处不在的纳米尺度的界面大大增加了异质结面积，使激子解离效率提高，从而使 ηp达到 2.9％[14]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]A thermal stable cathode buffer based on an inexpensive tetranuclear zinc(Ⅱ) complex for organic photovoltaic devices[J]. LI ZhiGang 1,2,GAO ZhiQiang 1*,WANG HaiShan 1,2,ZHANG Hui 1,2,ZHAO XinYan 1,2,MI BaoXiu 1,2 & HUANG Wei 2* 1 Jiangsu Engineering Centre for Flat-Panel Displays & Solid-state Lighting and School of Materials Science & Engineering,Nanjing University of Posts & Telecommunications,Nanjing 210046,China 2 Key Laboratory for Organic Electronics & Information Displays(KLOEID) and Institute of Advanced Materials(IAM),Nanjing University of Posts & Telecommunications,Nanjing 210046,China.. Science China(Chemistry). 2012(12)
[2]Recent progress in the numerical modeling for organic thin film solar cells[J]. ZHAO XinYan1, MI BaoXiu1,2, GAO ZhiQiang2 & HUANG Wei1 1 Key Laboratory for Organic Electronics & Information Displays (KLOEID), Institute of Advanced Materials (IAM), Nanjing University of Posts & Telecommunications, Nanjing 210046, China; 2 Jiangsu Engineering Centre for Flat-Panel Displays & Solid-State Lighting, School of Materials Science & Engineering, Nanjing University of Posts & Telecommunications, Nanjing 210046, China. Science China(Physics,Mechanics & Astronomy). 2011(03)
[3]基于有机薄膜的太阳能电池材料与器件研究进展[J]. 密保秀,高志强,邓先宇,黄维. 中国科学(B辑:化学). 2008(11)
本文编号：2929964
【文章来源】：南京邮电大学江苏省
【文章页数】：159 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
全世界每年消耗的能源（百万吨油当量）
有 14％。利用薄膜技术可以显著降低光伏电池的成本，因此第二代光伏电池有望在不久的将来占有更大市场份额。然而，由于受到器件效率较低且材料价格较高的限制，第二代光伏电池的成本难以进一步下降。第三代光伏电池包括多层异质结电池，染料敏化电池和有机光伏电池。多层异质结电池通过将多个不同带隙的单层异质结电池叠加，增加光子吸收，从而可以显著提高器件效率，当前多层异质结光伏电池的最高效率可达 33％[2]。染料敏化太阳能电池（dye sensitized solar cells，DSSC）是模仿光合作用的原理，采用有机染料来增加光吸收3,4]。DSSC 制备简单，成本低，实验室中制备的 DSSC 的效率最高可达 12％[5]，然而其寿命远低于基于无机材料的光伏电池。有机太阳能电池（organic solar cells，OSC）采用有机聚合物或小分子做为活性材料，当前单层 OSC 的实验室效率最高为 9％左右[6,7]，低于无机材料的光伏电池和 DSSC。然而，由于 OSC 具有生产成本低、可制备成柔性和便携式器件、可进行卷对卷生产等潜力，具有广阔的应用和发展前景，近年来得到广泛关注，已成为新材料和新能源领域最富生机和活力的研究课题之一。从 1976 年至 2013 年，各种光伏电池的最高效率如图 1.2 所示[8]。
系的研究兴趣。1986 年，邓青云博士报道了第一个双层结构有机光伏器件（如图 1.3 所示），采用酞菁铜（copper phthalocyanine，CuPc）做为 p 型半导体，四羧基苝的衍生物（perylene-disimide derivatives，PDI）做为 n 型半导体，其功率转换效率（power conversionefficiency, PCE）达到 1％[12]。该研究首次引入了电子给体（p 型）／电子受体（n 型）有机双层异质结的概念，并解释了光伏效率高的原因是由于光致激子在双层异质结界面的光诱导解离效率较高。1992 年，Sariciftci 和 Heeger 及其合作者研究发现，用共轭聚合物作为电子给体和富勒烯（C60）做为电子受体的体系[13]，在光诱导下可发生快速电荷转移且该过程的速率远远大于其逆向过程。原因是 C60表面是一个很大的共轭系统，其电子在由 60 个碳原子组成的分子轨道上离域，因此可以稳定外来电子[9,10]。这一发现，使聚合物太阳能电池的研究成为新的热点。1995 年，Heeger 及其合作者制备出体异质结器件，以聚对苯撑乙炔衍生物（MEH-PPV）作为给体，C60衍生物 PCBM 作为受体，将两种材料共混制成具有互穿网络的活性层，如图 1.4 所示[14]。这种结构中无处不在的纳米尺度的界面大大增加了异质结面积，使激子解离效率提高，从而使 ηp达到 2.9％[14]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]A thermal stable cathode buffer based on an inexpensive tetranuclear zinc(Ⅱ) complex for organic photovoltaic devices[J]. LI ZhiGang 1,2,GAO ZhiQiang 1*,WANG HaiShan 1,2,ZHANG Hui 1,2,ZHAO XinYan 1,2,MI BaoXiu 1,2 & HUANG Wei 2* 1 Jiangsu Engineering Centre for Flat-Panel Displays & Solid-state Lighting and School of Materials Science & Engineering,Nanjing University of Posts & Telecommunications,Nanjing 210046,China 2 Key Laboratory for Organic Electronics & Information Displays(KLOEID) and Institute of Advanced Materials(IAM),Nanjing University of Posts & Telecommunications,Nanjing 210046,China.. Science China(Chemistry). 2012(12)
[2]Recent progress in the numerical modeling for organic thin film solar cells[J]. ZHAO XinYan1, MI BaoXiu1,2, GAO ZhiQiang2 & HUANG Wei1 1 Key Laboratory for Organic Electronics & Information Displays (KLOEID), Institute of Advanced Materials (IAM), Nanjing University of Posts & Telecommunications, Nanjing 210046, China; 2 Jiangsu Engineering Centre for Flat-Panel Displays & Solid-State Lighting, School of Materials Science & Engineering, Nanjing University of Posts & Telecommunications, Nanjing 210046, China. Science China(Physics,Mechanics & Astronomy). 2011(03)
[3]基于有机薄膜的太阳能电池材料与器件研究进展[J]. 密保秀,高志强,邓先宇,黄维. 中国科学(B辑:化学). 2008(11)
本文编号：2929964
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