有机太阳能电池的电荷转移态等效电路和多重电荷分离界面研究

【摘要】：有机太阳能电池以其原料来源广泛、制作工艺简单、成本低廉、耗能少、可制作柔性器件以及易于大规模生产等突出优势，成为第三代太阳能电池中重点研究和发展的对象。为了进一步提高有机太阳能电池效率突破15%，仍然需要对决定着有机太阳能电池光伏特性的电荷转移态（CT）激子加深理解和利用。本文的主要工作正是围绕着有机太阳能器件中光生激子的产生和转移以及CT激子的分离和复合等过程来建立完整的理论分析以及创新性的CT激子等效电路模型。并将其应用于光伏特性的机理研究以及指导器件性能和器件结构的优化。由此，本文的主要工作为以下五个部分： 1、详细研究了光伏器件中的四个光伏过程：激子的产生、激子的传输、激子的分离和载流子的收集，并给出了光生电流密度Jph完整的表达式。最后得出了提高电池光伏性能的几点基本要求：（1）合成高吸光系数和带隙为1.1eV~1.7eV的有机光敏材料，提高器件的光吸收；（2）提高有机材料的激子扩散长度可以增加激子的利用效率；（3）通过降低给体材料的HOMO能级以及提高受体材料的LUMO值可以直接地增加CT激子的禁带宽度，以及使CT激子的吸收谱蓝移，从而提高VOC；（4）降低CT激子的结合能以及加长结合半径可以提高激子的分离效率和JSC；（5）降低0-VOC区域光生电流密度Jph(V)的滚降可以促进电荷收集以及提高填充因子FF。 2、提出了能够有效仿真CT激子分离和复合过程的CT激子等效电路模型，且该部分工作是本论文的自主创新的核心，创新之处为：在传统的等效电路模型中新加入模拟CT激子行为的电子元件，其物理意义是：二极管Dext模拟CT激子的分离过程以及二极管Drec模拟CT激子的复合过程。接着，率先给出了CT激子等效电路模型中电子元件参数的提取方法。本论文使用该CT激子等效电路模型不仅能够用于仿真和模拟光伏器件的光电特性，还能够提取和解释器件的能量损失机制，从而为器件性能的优化提供最直接的参量指标。 3、解释了最基本的光敏层厚度优化的问题，并发现了基于单线态裂变特性器件的能量损失公式。本论文使用常规的并五苯/C60的平面异质结太阳能电池进行了厚度优化实验，得到了以下研究结果：（1）当厚度接近激子扩散长度LD~40nm时，激子的利用效率最高，光电流JSC达到最大；而当厚度超过LD时，CT激子的结合结合能Eb将会增加，这会减小激子的分离效率并导致JSC的降低。但是，Eb的增加会使VOC进一步提高，并能达到最高值。这也是从根本上解释了单纯通过优化主体光敏层厚度不能同时得到最优的JSC和最优的VOC的现象；（2）找到了实际测量的激子密度JP超过基于光学理论得到的光电流最大值P0R0的原因：并五苯分子具有单线态裂变的特性，能够直接增加器件的光电流值JP。因此，本论文提出了具有单线态裂变特性的光伏器件实际能量损失公式El oss=1β J P/P0R0，本文中修正因子β为1/1.5。 4、研究了阴极缓冲层的主要功能：光场调控、激子阻挡和有机保护层作用。首先，研究了不同BCP层对平面异质结CuPc/C60太阳能电池的光电特性的影响，得到了最优化的厚度约为10nm。其次，使用光学传输矩阵理论得出了BCP层作为光学间隔子作用，即BCP层的加入增强了有机薄膜中的光场分布以及提高了光吸收以及光生激子密度；基于激子运动理论解释了BCP层的激子阻挡层作用，即BCP层能够增加C60层中的激子利用率。接着，通过使用CT激子等效电路模型和Onsager-Braun理论详细分析了BCP层对电荷收集函数H(V)和电阻特性的影响。最后，通过缺陷态的机理分析得到了金属电极Ag对BCP的扩散厚度~11.4nm，也很好地解释了最佳厚度为10nm的原因。 5、研究了多重电荷分离界面MCS结构的太阳能电池，并率先提出适用于该结构的等效电路模型以及光生电流的分析方法。该工作也是本论文的自主创新的部分之一。本论文采用了多重电荷分离界面（MCS）的器件结构，并创新性地引入具有三线态激子的磷光染料(t-bt)2Ir(acac)和荧光染料Rubrene作为界面修饰层，使MCS器件的VOC和光电转换效率得到了有效地提高。接着，为了更加直接地仿真MCS器件中主体给体层与修饰层中CT激子在分离界面处的竞争关系，本论文提取出了适用于分析MCS器件的等效电路图，并结合光学传输矩阵理论对外量子效率进行了仿真分析，得到各个功能层中实际产生的光生电流值。本工作为将来采用单线态裂变的材料制备MCS器件奠定了坚实的等效电路和理论基础。 【关键词】：有机太阳能电池 电荷转移态（CT）激子 等效电路模型 多重电荷分离界面（MCS） 单线态裂变
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-25
• 1.1 研究背景13
• 1.2 有机太阳能电池的发展及现状13-19
• 1.2.1 太阳能电池的发展历程13-16
• 1.2.2 有机太阳能电池的发展现状16-19
• 1.2.2.1 有机小分子太阳能电池的研究进展16-17
• 1.2.2.2 聚合物太阳能电池的研究进展17-19
• 1.3 前沿分析和存在的问题19-22
• 1.3.1 太阳能电池的 CT 激子理论前沿19-20
• 1.3.2 有机太阳能电池的等效电路理论前沿20-21
• 1.3.3 太阳能电池的新型器件结构21-22
• 1.4 本论文的主要研究内容和章节安排22-25
• 第二章 有机太阳能电池的光伏机理研究25-46
• 2.1 有机太阳能电池光伏机理概述25-27
• 2.2 激子产生过程和光吸收效率27-34
• 2.2.1 有机材料的激发态27-28
• 2.2.2 光生激子28-30
• 2.2.2.1 单线态激子和三线态激子28-29
• 2.2.2.2 FRANKEL 激子、WANNIER 激子和 CT 激子29-30
• 2.2.3 激子的产生和光吸收效率30-31
• 2.2.4 有机太阳能电池中的光场分布31-34
• 2.3 激子的传输过程和传输效率34-37
• 2.4 激子的分离过程和分离效率37-42
• 2.4.1 CT 激子的分离距离37-38
• 2.4.2 CT 激子对开路电压的影响38-41
• 2.4.3 CT 激子对短路电流的影响41-42
• 2.5 载流子的收集效率42-44
• 2.6 本章小结44-46
• 第三章 有机太阳能电池的 CT 激子等效电路模型46-64
• 3.1 有机太阳能电池的性能参数46-48
• 3.2 有机太阳能电池的 CT 激子等效电路模型48-56
• 3.2.1 CT 激子等效电路模型的仿真分析49-51
• 3.2.2 CT 激子等效电路模型的参数提取51-56
• 3.2.2.1 暗条件下参数的提取51-53
• 3.2.2.2 光照条件下参数的提取53-56
• 3.3 CT 激子等效电路模型的准确性验证56-62
• 3.3.1 太阳能电池器件的制备56-57
• 3.3.2 常规电路元件的参量57-59
• 3.3.3 CT 激子等效二极管对光电特性的影响59-62
• 3.4 本章小结62-64
• 第四章 有机太阳能电池的制备工艺和有机材料的椭偏研究64-76
• 4.1 有机太阳能电池的制备工艺64-68
• 4.1.1 有机太阳能电池的制备系统和测试平台64-65
• 4.1.2 有机太阳能电池制备流程65-68
• 4.2 有机材料的吸光系数以及折射率研究68-75
• 4.2.1 椭偏仪仪器的介绍69-70
• 4.2.2 椭偏仪测量的基本原理70-72
• 4.2.3 有机材料折射率的测量方法72-74
• 4.2.4 有机材料折射率的测量74-75
• 4.3 本章小结75-76
• 第五章 平面异质结电池的电子给体层优化及机理研究76-89
• 5.1 并五苯电子给体层的厚度优化76-78
• 5.2 电子给体层厚度对光场分布和光生激子的影响78-81
• 5.3 等效电路仿真以及具有 SF 特性的能量损失研究81-83
• 5.4 给体层厚度对电荷收集效率以及开路电压的影响83-87
• 5.5 本章小结87-89
• 第六章 平面异质结电池的阴极缓冲层优化和机理研究89-100
• 6.1 太阳能电池的光电特性89-91
• 6.2 阴极缓冲层对光场分布的影响91-93
• 6.3 阴极缓冲层的激子阻挡作用的研究93-95
• 6.4 阴极缓冲层对载流子收集效率的影响95-97
• 6.5 阴极缓冲层对受体层的保护作用97-99
• 6.6 本章小结99-100
• 第七章 基于多重电荷分离界面结构的有机太阳能电池的研究100-117
• 7.1 MCS 太阳能电池的工作原理100-102
• 7.2 基于磷光染料薄层的 MCS 有机太阳能电池102-108
• 7.2.1 磷光染料薄层的 MCS 器件的光电特性102-104
• 7.2.2 MCS 结构太阳能电池的外量子效率性能104-107
• 7.2.3 MCS 结构的等效电路模型107-108
• 7.3 基于荧光染料 RUBRENE 薄层的 MCS 有机太阳能电池108-115
• 7.3.1 RUBRENE 修饰层的 MCS 太阳能电池的光电特性108-111
• 7.3.2 MCS 结构的表面形貌分析111-113
• 7.3.3 MCS 器件的 CT 激子竞争关系以及光电流分析113-115
• 7.4 本章小结115-117
• 第八章 全文总结117-122
• 8.1 本论文的主要工作117-119
• 8.2 本论文的主要创新点119-122
• 致谢122-124
• 参考文献124-136
• 攻博期间取得的研究成果136-139

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