有機太陽能電池的電荷轉移態(tài)等效電路和多重電荷分離界面研究.pdf

1、有機太陽能電池以其原料來源廣泛、制作工藝簡單、成本低廉、耗能少、可制作柔性器件以及易于大規(guī)模生產等突出優(yōu)勢，成為第三代太陽能電池中重點研究和發(fā)展的對象。為了進一步提高有機太陽能電池效率突破15％，仍然需要對決定著有機太陽能電池光伏特性的電荷轉移態(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太陽能器件中光生激子的產生和轉移以及 CT激子的分離和復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。并將其應用于光伏特性

2、的機理研究以及指導器件性能和器件結構的優(yōu)化。由此，本文的主要工作為以下五個部分：
　　1、詳細研究了光伏器件中的四個光伏過程：激子的產生、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完整的表達式。最后得出了提高電池光伏性能的幾點基本要求：（1）合成高吸光系數(shù)和帶隙為1.1 eV~1.7 eV的有機光敏材料，提高器件的光吸收；（2）提高有機材料的激子擴散長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激子的吸收譜藍移，從而提高VOC；（4）降低CT激子的結合能以及加長結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制，從而為器件性能的優(yōu)化提供最直接的參量指標。
　　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的平面異質結太陽能電池進行了厚度優(yōu)化實驗，得到了以下研究結果：（1）當厚度接近激子擴散長度LD~40 nm時，激子的利用效率最高，光電流JSC達到最大；而當厚度超過LD時，CT激子的結合結合能 Eb將會增加，這會減小激子的分離效率并導致 JSC的降低。但是，Eb的增加會使 VOC進一步提高，并能達到最高值。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得到最優(yōu)的JSC和最優(yōu)的VOC的現(xiàn)象；（2）找到了實際測量的

6、激子密度JP超過基于光學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：光場調控、激子阻擋和有機保護層作用。首先，研究了不同BCP層對平面異質結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，使用光學傳輸矩陣理論得出了BCP層作為光學間隔子作用，即BCP層的加入增強了有機薄膜中的光場分布以及提高了光吸收以及光生激子密度；基于激子運動理論解釋了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理論詳細分析了 BCP層對電荷收集函數(shù) H(V)和電阻特性的影響。最后，通過缺陷態(tài)的機理分析得到了金屬電極Ag對BCP的擴散厚度~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結構的太陽能電池，并率先提出適用于該結構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）的器件結構，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和光電轉換效率得到了有效地提高。接著，為了更加直接