聚合物太阳能电池的结构设计与性能优化

【摘要】：聚合物太阳能电池由于其潜在的价格优势与可制作大面积柔性器件的优点,近年来成为国际众多研究机构和企业的研究热点。相比于电池功能层材料的突飞猛进,电池结构的设计近十年来却没有太多变化,研究新型的电池结构对于提高器件性能与适用环境等都有重要意义。本研究工作以制作性能稳定的标准器件为起步,通过分析器件光学与电学性能并以光学模拟为辅助,最终制作出内嵌光栅的类波浪形新型器件。 从聚合物太阳能电池标准器件的制备设备与制备流程两个角度入手对聚合物太阳能电池标准器件的制作与性能优化进行论述。聚合物太阳能电池所需要的制备设备较多,通过两年多的实践积累,文中给出了一套较为可靠的器件制备系统。电池器件的制作流程介绍包括电极、功能层、缓冲层等多层薄膜的制作,论文分析了制作工艺对器件性能的影响。此外,文中还阐述一些优化电池性能的工艺方法。 聚合物太阳能电池的功能层光学常数参数对于薄膜的结构设计十分重要。文中提出了一种基于聚合物材料色散模型,通过透射光谱拟合确定薄膜光学常数(包括折射率与消光系数)和厚度的计算方法。该种方法通过简单的透射率拟合就可以得到比较准确的参数值,对于聚合物太阳能电池工业的大规模生产的膜厚监控具有重要的意义。文中用该种方法还分析了不同处理工艺对器件性能的影响,并得到器件光学常数与光伏特性在优化过程中的变化趋势。 利用光学模拟确定结构参数与摩擦法制作光栅结构,制备了内嵌陷光结构的器件。本文以透射率拟合获取光学常数,再通过精密耦合波分析方法模拟出不同结构与结构参数下的器件吸收。最后以拟合得到的最优参数为基础,以机械摩擦阳极缓冲层PEDOT:PSS作为光栅起始层,其余薄膜通过复型得到光栅结构,形成类波浪形器件结构。器件最高性能较之前所制作标准器件提高27%。本文从扫描电镜测试(SEM),原子力显微镜测试(AFM),外量子效率(IPCE)与吸收光谱等多种方式分析该种器件的形貌结构与能量转化性能。 【关键词】：聚合物太阳能电池 光学常数 陷光结构 机械摩擦
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-9
• 目录9-12
• 1. 绪论12-24
• 1.1 新能源发展历程12-13
• 1.2 太阳能电池的发展历程13-17
• 1.2.1 太阳能简介13
• 1.2.2 硅材料太阳能电池13-14
• 1.2.3 无机化合物半导体太阳能电池14-15
• 1.2.4 染料敏化太阳能电池15
• 1.2.5 有机材料太阳能电池15-16
• 1.2.6 太阳能电池的机理16-17
• 1.3 聚合物太阳能电池简介17-21
• 1.3.1 聚合物太阳能电池的材料17-18
• 1.3.2 聚合物太阳能电池的器件结构18-19
• 1.3.3 聚合物太阳能电池的光伏过程19-21
• 1.4 本论文主要研究内容21-22
• 参考文献22-24
• 2 标准器件制作与设备研究24-37
• 2.1 引言24
• 2.2 聚合物太阳能电池的主要性能参数24-26
• 2.3 电池的制作与测试设备26-28
• 2.3.1 光刻系统26
• 2.3.2 基板洗清系统26-27
• 2.3.3 手套箱系统27
• 2.3.4 测试系统27-28
• 2.4 标准器件制作流程28-31
• 2.4.1 电极刻蚀28-29
• 2.4.2 基板清洗29
• 2.4.3 阳极缓冲层成膜29-30
• 2.4.4 功能层成膜30
• 2.4.5 金属阴极蒸镀30
• 2.4.6 器件封装30-31
• 2.5 标准器件的优化31-34
• 2.5.1 功能层成膜优化31-34
• 2.5.2 金属阴极蒸镀速率优化34
• 2.6 本章小结34-35
• 参考文献35-37
• 3 功能层光学常数测定与特性分析37-49
• 3.1 引言37
• 3.2 薄膜光学常数测定的常用方法37-39
• 3.2.1 椭偏法37-38
• 3.2.2 棱镜耦合法38
• 3.2.3 包络线法38-39
• 3.3 基于透射率曲线确定功能层的光学常数和厚度39-46
• 3.3.1 基本原理39-42
• 3.3.2 样品制备与透射率曲线测量42
• 3.3.3 测试结果与讨论42-43
• 3.3.4 不同工艺对功能层光学常数影响43-46
• 3.4 本章小结46-47
• 参考文献47-49
• 4 电池入射面光栅设计与制作49-65
• 4.1 引言49
• 4.2 常用电池陷光结构简介49-51
• 4.2.1 减反膜49-50
• 4.2.2 减少栅线电极面积50
• 4.2.3 增加光在电池内光程50-51
• 4.3 入射面光栅设计分析51-54
• 4.3.1 器件参数设置52
• 4.3.2 光栅参数选择52-54
• 4.4 摩擦法制作光栅实验54-56
• 4.4.1 实验设备及参数54-55
• 4.4.2 实验流程55-56
• 4.5 结果分析与讨论56-62
• 4.5.1 不同摩擦强度下的器件性能56-58
• 4.5.2 器件表面形貌58-60
• 4.5.3 外量子效率与吸收光谱60-62
• 4.6 本章小结62
• 参考文献62-65
• 5 总结与展望65-67
• 作者简历67
• 攻读硕士学位期间的成果67

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