【摘要】：聚合物太陽(yáng)能電池(Polymer Solar Cell,PSC)由于質(zhì)量輕、制造工藝簡(jiǎn)單、成本低廉尤其是其可制作在柔性襯底上等諸多優(yōu)點(diǎn),已成為近年科學(xué)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。近年來(lái),將透明電極作為底電極,采用高穩(wěn)定性金屬如金或銀作為頂陽(yáng)極的倒置結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)能電池(inverted polymer solar cell,IPSC)得到了深入研究和廣泛應(yīng)用。對(duì)于IPSC器件,有源層對(duì)入射光能否充分吸收是決定器件性能的關(guān)鍵。其中在導(dǎo)電陰極和有源層之間加入氧化鋅,氧化鈦光學(xué)間隔層被證明是增強(qiáng)器件有源層光吸收的有效方法,并且在陰極上生長(zhǎng)的氧化鋅或氧化鈦薄膜還同時(shí)起到陰極緩沖層的作用,可使陰極、緩沖層和有源層的LUMO能級(jí)形成階梯形勢(shì)壘,有利于陰極抽取電子并阻擋空穴向陰極的傳輸。然而目前所報(bào)道的光學(xué)間隔層皆采用單層氧化鋅或氧化鈦薄膜,其厚度在30-100nm之間,雖然進(jìn)一步增加厚度能夠增大光學(xué)間隔層對(duì)器件有源層光強(qiáng)分布的調(diào)節(jié)范圍,使其接近理論上的光強(qiáng)極大值,但由于低溫制備的氧化鋅或氧化鈦薄膜的結(jié)晶質(zhì)量較差,因此厚度的增加同時(shí)增大了器件的串聯(lián)電阻,降低了短路電流,反而使器件的性能下降。如果能夠進(jìn)一步改進(jìn)光學(xué)間隔層的結(jié)構(gòu),能夠在不增加整個(gè)器件串聯(lián)電阻的前提下增強(qiáng)器件內(nèi)有源層對(duì)太陽(yáng)光的吸收,將對(duì)聚合物太陽(yáng)能電池的性能的提高有著重要價(jià)值。在本論文中提出了一種具有多層光學(xué)間隔層的聚合物太陽(yáng)能電池,該結(jié)構(gòu)能有效增強(qiáng)有源層對(duì)太陽(yáng)光的吸收,進(jìn)而提高器件的能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)。首先,本文采用傳輸矩陣法對(duì)這種多層光學(xué)間隔層聚合物太陽(yáng)能電池進(jìn)行了光學(xué)模擬,主要探索了多光學(xué)間隔層的結(jié)構(gòu)對(duì)IPSC器件短路電流密度的影響。本文選取的多光學(xué)間隔層通過(guò)在ITO襯底上依次旋涂銫摻雜濃度分別為0.01M,0.005M,0.0025M的銫摻雜氧化鋅(Cs-doped zinc oxide,CZO)和未摻雜ZnO薄膜制備而成的。模擬結(jié)果顯示,采用上述從下到上銫摻雜濃度依次減少的多層光學(xué)間隔層能夠有效提高有源層的光吸收和器件的短路電流密度(short circuit-current density,J_(SC))。然后,參照以上的光學(xué)模擬結(jié)果,分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)制備了多層光學(xué)間隔層的IPSC器件,實(shí)驗(yàn)總共做了3種多層結(jié)構(gòu)的光學(xué)間隔層器件(0.0025M CZO/ZnO二層結(jié)構(gòu),0.005M CZO/0.0025M CZO/ZnO三層結(jié)構(gòu),0.01M CZO/0.005M CZO/0.0025M CZO/ZnO四層結(jié)構(gòu)),以及單層未摻雜氧化鋅光學(xué)間隔層的參考器件。在多層光學(xué)間隔層的制備工藝中,采用快速熱退火對(duì)薄膜進(jìn)行后處理,有效解決了溶膠凝膠法低溫制備多層ZnO薄膜中存在的互溶問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,三層光學(xué)間隔層器件的能量轉(zhuǎn)換效率值最佳,能達(dá)到3.9%,相比單層光學(xué)間隔層器件提高了27.9%。本論文所設(shè)計(jì)的多層光學(xué)間隔層聚合物太陽(yáng)能電池能夠提高有源層對(duì)太陽(yáng)光的吸收,進(jìn)而提高IPSC器件的能量轉(zhuǎn)換效率。因此該結(jié)構(gòu)的IPSC器件可以作為一種提高聚合物太陽(yáng)能電池效率的有效方法。
【圖文】：

(2) 激子進(jìn)行擴(kuò)散；由于激子是由電子空穴組成的，它是電中性的，它以擴(kuò)散的方式從產(chǎn)生的地方運(yùn)動(dòng)到給體受體的交界面，但是激子的擴(kuò)散距離是有限的，大約在 5 到 20nm，因此器件的有源層不能做的太厚，，否則會(huì)影響器件的性能。(3) 激子進(jìn)行解離；由于激子存在激子束縛能，因此它的解離需要克服激子束縛能，當(dāng)激子運(yùn)動(dòng)到給體受體的交界面時(shí)，由于給體受體之間存在著能級(jí)差，使得激子分離成電子和空穴，激子的束縛能大約在 0.3 到0.5eV[9]。(4) 電子空穴的傳輸與收集；激子解離后，產(chǎn)生的可自由移動(dòng)的空穴和電子將分別沿有源層的給體和受體材料傳輸?shù)诫姌O處，在緩沖層的載流子選擇作用下被陽(yáng)極和陰極收集，從而在電池器件的外部電路產(chǎn)生電流和電勢(shì)差。

合物太陽(yáng)能電池的基本參數(shù)3 是聚合物太陽(yáng)能電池的等效電路圖，它是用來(lái)表示聚合物太一個(gè)電路模型，下圖由電流源、二極管和電阻組成，其中電路光電流，當(dāng)光照后，光生載流子累積在電池內(nèi)部的 PN 結(jié)兩外部短路，其內(nèi)部的光生載流子將流通，這時(shí)流過(guò)太陽(yáng)能電電流，其方向從 PN 結(jié)內(nèi)部來(lái)看是從 N 區(qū)指向 P 區(qū)的。ID為電由降在負(fù)載電阻上的電壓形成的，相當(dāng)于給PN結(jié)加上一個(gè)正等效成一個(gè)正向?qū)ǖ亩䴓O管，該電流的方向與上面提到的短太陽(yáng)能電池是不利的，應(yīng)該盡量使其減小[10]。Rsh為電池的并光電流不流過(guò)負(fù)載，如器件的縱向漏電流等，其數(shù)值越大電池的串聯(lián)電阻，它是由 PN 結(jié)的體電阻，結(jié)電阻等組成的，其值。I 為流經(jīng)負(fù)載電阻的電流，V 為加在負(fù)載電阻上的電壓[11]。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TM914.4

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 許文鵬;聚合物太陽(yáng)能電池陰極緩沖層的退火工藝優(yōu)化和光學(xué)模擬[D];吉林大學(xué);2016年

本文編號(hào)：2665062