有机太阳能电池中金属/有机界面物理过程的唯象研究

【摘要】：有机太阳能电池是基于有机小分子或共轭高聚物材料的光伏器件。相较于无机太阳能电池,它具有成本低、柔性可折叠、制备方便等许多优点,因而得到了人们的广泛关注,成为近年来一个很热门的研究领域。本论文就是以有机太阳能电池作为研究对象的,重点关注它的金属电极与有机层界面处的物理性质及其对器件的工作参数和效率的影响。第一章是对应用背景和研究方法的概述。在第二章我们首先介绍了有机太阳能电池的三代发展历程；然后以体异质结器件为例,详细描述了有机太阳能电池中激子的产生、扩散、拆分与载流子的生成和输运等一系列光电过程。第三章讲述理论方法,即器件模型。 器件模型是由描述电荷密度、电场、电流等宏观物理量的时间演化的几个方程组成的,几乎适用于所有电子器件的研究。鉴于激子在有机体系中的重要性,我们将激子的动力学方程纳入器件模型,加以改进构成一套可以统一描述器件内光脉冲照射下的瞬态过程和恒定光照下的稳态过程的方法。用这一方法,我们从唯象的角度研究了器件的激子动力学、界面拆分、表面损失和开路电压等物理问题,结论如下所列。 单层器件中的瞬态光电压实验表明激子在金属(ITO)/有机界面的拆分很大而在在体内的拆分很微弱。通过将器件分为界面和体内两个不同的拆分区域,我们模拟了激子在存在界面拆分下的演化分布。为了表征界面拆分的重要性,定义界面拆分比为发生界面拆分的激子占总拆分激子的比重,界面拆分比随界面拆分时间(速率)的减小(增加)而升高,最终饱和。体内拆分时间越大则饱和值越大。界面拆分使得界面附近的激子密度显著降低,在极强的拆分速率下,界面的激子是耗尽的,这是拆分比饱和的原因。瞬态和稳态下的界面拆分比是一致的,但受光照强度的影响,强激光脉冲下界面拆分比的饱和值比普通弱光源的要大一些。对于欧姆接触的器件,电子空穴的二次复合在接近开路条件时能让提高体内的激子密度,从而使界面拆分比降低。模拟J-V曲线发现,短路电流会随界面拆分时间的减小或体内拆分时间的增大而降低,这源于界面电子流Jn在强界面拆分下的提升,因而Jn也能表征界面拆分的强弱。 表面电荷损失在体异质结器件中是个严重的问题,但很难用实验探测。我们定义了一个表面损失几率并推导出了它的由纯粹的宏观物理量组成的表达式,由此得到表面损失源于载流子进入各自的错误电极,即电子流入阳极,空穴流入阴极。数值模拟表明损失表面损失几率在远离净光电流的补偿电压的电压范围内维持在一个较低的恒定值上,它随电子空穴注入势垒的变大而逐步升高,对偏压的依赖性也变大。考虑到金属／有机界面拆分之后,它随界面拆分速率的增大而增大,在接近无穷大的速率时饱和。极化子对沿给体／受体(D/A)界面的扩散也对表面损失有很重要的贡献,当器件的界面拆分速率足够大时,界面与体内极化子对密度梯度很大,在大的扩散系数下能形成很强的扩散流,因而这时表面损失几率随极化子对扩散系数的增大而迅速上升。表面损失对器件效率的损害主要表现在短路电流和开路电压的减小。抑制表面损失的主要手段是在电极与有机层的界面处添加合适的插入层以阻挡错误流向的载流子并减弱界面拆分。 通过模拟电流-电压特性曲线,我们验证了开路电压随光照强度对数增大的关系,但在大光强下器件的填充因子迅速减小。模拟表明用电子和空穴的迁移率具有较大差异(非均衡)的有机材料制备器件会缓解这一问题。我们还探讨了不同注入势垒下开路电压的变化,发现它并不是随总注入势垒的增加单调下降的,而是有个由极小变大再减小的过程。这源于电势分布或能带在两个金属电极与有机层界面附近的弯曲,注入势垒越小,局部电荷堆积也越多,弯曲程度就越大。因此,为达到最大的开路电压,器件的两个界面并不是越接近欧姆接触越好,而是要有一个在0.2eV左右的有限的注入势垒。 【关键词】：有机太阳能电池 共轭高聚物 体异质结 金属/有机界面 器件模型 激子 极化子对 界面拆分 表面损失 瞬态光电压 短路电流 开路电压 欧姆接触
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 第一章 绪论10-18
• 参考文献16-18
• 第二章 有机太阳能电池的基本物理18-42
• 2.1 有机太阳能电池的分类18-23
• 2.1.1 单层太阳能电池18-19
• 2.1.2 平面异质结(planar heterojunction)太阳能电池19-20
• 2.1.3 体异质结(bulk heterojunction)太阳能电池20-23
• 2.2 表征有机太阳能电池的参数23-25
• 2.3 体异质结器件中的光电过程25-37
• 2.3.1 激子的产生与扩散26-28
• 2.3.2 电子-空穴极化子对拆分的Onsager-Braun理论28-32
• 2.3.3 电荷载流子的输运32-37
• 参考文献37-42
• 第三章 器件模型方法42-60
• 3.1 器件模型42-53
• 3.1.1 时间演化方程42-44
• 3.1.2 如何处理金属/有机界面44-50
• 3.1.3 如何处理载流子的生成与复合50-52
• 3.1.4 如何处理无序效应52-53
• 3.2 器件模型的初步应用53-58
• 3.2.1 Scharfetter-Gummel离散化53-54
• 3.2.2 静态的有机太阳能电池54-55
• 3.2.3 暗态的有机太阳能电池55-58
• 参考文献58-60
• 第四章 激子在金属/有机界面的拆分60-82
• 4.1 瞬态光电压(TPV)实验60-64
• 4.2 界面拆分比64-74
• 4.2.1 激子动力学与瞬态的界面拆分比64-70
• 4.2.2 稳态的激子动力学和界面拆分比70-72
• 4.2.3 复合对激子动力学和界面拆分比的影响72-74
• 4.3 界面拆分影响下的电流-电压关系与边界流74-79
• 4.4 小结79-80
• 参考文献80-82
• 第五章 体异质结太阳能电池中的表面损失82-98
• 5.1 动力学Monte Carlo结果的分析82-84
• 5.2 表面损失的定量描述84-87
• 5.3 界面拆分对表面损失的增强效应87-92
• 5.3.1 偏压依赖性87-88
• 5.3.2 注入势垒的影响88-90
• 5.3.3 界面拆分的影响90-91
• 5.3.4 极化子对(PP)扩散系数的影响91-92
• 5.4 表面损失对器件效率的损害92-96
• 5.4.1 电流密度-电压(J-V)特征关系92-95
• 5.4.2 抑制表面损失的手段95-96
• 5.5 小结96-97
• 参考文献97-98
• 第六章 开路电压的模拟98-106
• 6.1 开路电压的解析表达式98-99
• 6.2 光照强度增大时的J-V曲线99-101
• 6.3 开路电压与注入势垒的关系101-104
• 6.4 小结104-105
• 参考文献105-106
• 第七章 总结和展望106-110
• 致谢110-112
• 博士期间完成论文112-113

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