有機(jī)太陽能電池的電荷轉(zhuǎn)移態(tài)等效電路和多重電荷分離界面研究.pdf

1、有機(jī)太陽能電池以其原料來源廣泛、制作工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、耗能少、可制作柔性器件以及易于大規(guī)模生產(chǎn)等突出優(yōu)勢(shì)，成為第三代太陽能電池中重點(diǎn)研究和發(fā)展的對(duì)象。為了進(jìn)一步提高有機(jī)太陽能電池效率突破15％，仍然需要對(duì)決定著有機(jī)太陽能電池光伏特性的電荷轉(zhuǎn)移態(tài)（CT）激子加深理解和利用。本文的主要工作正是圍繞著有機(jī)太陽能器件中光生激子的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移以及 CT激子的分離和復(fù)合等過程來建立完整的理論分析以及創(chuàng)新性的CT激子等效電路模型。并將其應(yīng)用于光伏特性

2、的機(jī)理研究以及指導(dǎo)器件性能和器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。由此，本文的主要工作為以下五個(gè)部分：
　　1、詳細(xì)研究了光伏器件中的四個(gè)光伏過程：激子的產(chǎn)生、激子的傳輸、激子的分離和載流子的收集，并給出了光生電流密度Jph完整的表達(dá)式。最后得出了提高電池光伏性能的幾點(diǎn)基本要求：（1）合成高吸光系數(shù)和帶隙為1.1 eV~1.7 eV的有機(jī)光敏材料，提高器件的光吸收；（2）提高有機(jī)材料的激子擴(kuò)散長(zhǎng)度可以增加激子的利用效率；（3）通過降低給體材料的HOMO

3、能級(jí)以及提高受體材料的LUMO值可以直接地增加CT激子的禁帶寬度，以及使CT激子的吸收譜藍(lán)移，從而提高VOC；（4）降低CT激子的結(jié)合能以及加長(zhǎng)結(jié)合半徑可以提高激子的分離效率和JSC；（5）降低0-VOC區(qū)域光生電流密度 Jph(V)的滾降可以促進(jìn)電荷收集以及提高填充因子FF。
　　2、提出了能夠有效仿真CT激子分離和復(fù)合過程的CT激子等效電路模型，且該部分工作是本論文的自主創(chuàng)新的核心，創(chuàng)新之處為：在傳統(tǒng)的等效電路模型中新加入模擬

4、CT激子行為的電子元件，其物理意義是：二極管Dext模擬CT激子的分離過程以及二極管Drec模擬CT激子的復(fù)合過程。接著，率先給出了CT激子等效電路模型中電子元件參數(shù)的提取方法。本論文使用該CT激子等效電路模型不僅能夠用于仿真和模擬光伏器件的光電特性，還能夠提取和解釋器件的能量損失機(jī)制，從而為器件性能的優(yōu)化提供最直接的參量指標(biāo)。
　　3、解釋了最基本的光敏層厚度優(yōu)化的問題，并發(fā)現(xiàn)了基于單線態(tài)裂變特性器件的能量損失公式。本論文使用常

5、規(guī)的并五苯/C60的平面異質(zhì)結(jié)太陽能電池進(jìn)行了厚度優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，得到了以下研究結(jié)果：（1）當(dāng)厚度接近激子擴(kuò)散長(zhǎng)度LD~40 nm時(shí)，激子的利用效率最高，光電流JSC達(dá)到最大；而當(dāng)厚度超過LD時(shí)，CT激子的結(jié)合結(jié)合能 Eb將會(huì)增加，這會(huì)減小激子的分離效率并導(dǎo)致 JSC的降低。但是，Eb的增加會(huì)使 VOC進(jìn)一步提高，并能達(dá)到最高值。這也是從根本上解釋了單純通過優(yōu)化主體光敏層厚度不能同時(shí)得到最優(yōu)的JSC和最優(yōu)的VOC的現(xiàn)象；（2）找到了實(shí)際測(cè)量的

6、激子密度JP超過基于光學(xué)理論得到的光電流最大值P0R0的原因：并五苯分子具有單線態(tài)裂變的特性，能夠直接增加器件的光電流值 JP。因此，本論文提出了具有單線態(tài)裂變特性的光伏器件實(shí)際能量損失公式001/loss PE=?β?J P R，本文中修正因子β為1/1.5。
　　4、研究了陰極緩沖層的主要功能：光場(chǎng)調(diào)控、激子阻擋和有機(jī)保護(hù)層作用。首先，研究了不同BCP層對(duì)平面異質(zhì)結(jié)CuPc/C60太陽能電池的光電特性的影響，得到了最優(yōu)化的厚度

7、約為10 nm。其次，使用光學(xué)傳輸矩陣?yán)碚摰贸隽薆CP層作為光學(xué)間隔子作用，即BCP層的加入增強(qiáng)了有機(jī)薄膜中的光場(chǎng)分布以及提高了光吸收以及光生激子密度；基于激子運(yùn)動(dòng)理論解釋了BCP層的激子阻擋層作用，即BCP層能夠增加C60層中的激子利用率。接著，通過使用CT激子等效電路模型和Onsager-Braun理論詳細(xì)分析了 BCP層對(duì)電荷收集函數(shù) H(V)和電阻特性的影響。最后，通過缺陷態(tài)的機(jī)理分析得到了金屬電極Ag對(duì)BCP的擴(kuò)散厚度~11.

8、4 nm，也很好地解釋了最佳厚度為10 nm的原因。
　　5、研究了多重電荷分離界面MCS結(jié)構(gòu)的太陽能電池，并率先提出適用于該結(jié)構(gòu)的等效電路模型以及光生電流的分析方法。該工作也是本論文的自主創(chuàng)新的部分之一。本論文采用了多重電荷分離界面（MCS）的器件結(jié)構(gòu)，并創(chuàng)新性地引入具有三線態(tài)激子的磷光染料(t-bt)2Ir(acac)和熒光染料Rubrene作為界面修飾層，使MCS器件的VOC和光電轉(zhuǎn)換效率得到了有效地提高。接著，為了更加直接