有机太阳能电池

1、南京邮电大学毕 业 设 计（论 文）题 目：有机太阳能电池光电性能的研究与模拟 专 业： 光信息科学与技术 学生姓名： 夏伟成 班级学号： b07040421 指导教师： 赵新彦 指导单位： 光电工程学院 日期： 2010年 3月12日至 2011年 6月 19 日 摘要1954年bell实验室研发出第一个单晶硅太阳能电池，效率为6%。自此开启了太阳能电池的新纪元。硅系太阳能电池已从单晶，多晶硅发展到非晶硅，从块状发展到叠层，实现第一代到第二代的的转换。20世纪后期，各种化合物叠层电池兴起，呈现欣欣向荣的局面。碲化镉，砷化镓，铜铟镓硒如雨后春笋般地登上舞台。太阳能电池按照吸收层所用的材料可以分

2、为无机太阳能电池，有机太阳能电池和光化学太阳能电池。无机太阳能电池又可分为块状太阳能电池和叠层太阳能电池。块状太阳能电池主要是单晶硅和多晶硅太阳能电池。叠层太阳能电池包括硅叠层和化合物半导体叠层太阳能电池两类。硅叠层电池分为多晶硅和非晶硅叠层，化合物半导体叠层电池主要包括砷化镓，硫化镉、碲化镉和铜铟镓硒太阳能电池。有机太阳能电池可分为两类，一类为p-n结结构有机太阳能电池，包括单质结结构、异质结结构和混合异质结结构有机太阳能电池。另一类就是近十几年来研究较多的染料敏化纳米晶太阳能电池。关键词：太阳能电池；有机；叠层设备；结构；原理abstractin 1954, bell labs devel

3、oped the first silicon solar cell, whose efficiency is 6%. it opened a new era of solar cells since then. from single crystal silicon solar cells, polycrystalline silicon development to amorphous silicon, thin film from the massive development to realize the first to the second generation of the con

4、version.the late 20th century, the rise of various compounds thin film battery, showing a thriving situation. cadmium telluride, gallium arsenide, copper indium gallium selenide mushroomed on stage.absorption layer of solar cells in accordance with the materials used can be divided into inorganic so

5、lar cells, organic solar cells and photochemical solar cells.inorganic solar cells, solar cells can be divided into bulk and thin film solar cells. massive solar cell is mainly silicon and polysilicon solar cells. thin film solar cells including silicon and compound semiconductor thin film solar cel

6、l types. into polycrystalline silicon thin film and amorphous silicon thin film cells, compound semiconductor thin film batteries include gallium arsenide, cadmium sulfide, cadmium telluride and copper indium gallium selenide solar cells.organic solar cells can be divided into two categories, one fo

7、r the pn junction structure of organic solar cells, including single-junction structure, quality, structure and mixed-heterojunction organic solar cell heterojunction structure. the other is more recent decades of dye-sensitized nanocrystalline solar cells.keywords: solar cells; organic; tandem devi

8、ces; structure ; principle 目 录第一章 绪 论11.1研究的意义与目的11.2研究的背景11.3论文内容与结构2第二章 有机太阳能电池的基本理论32.1有机太阳能电池的介绍32.2有机太阳能电池的工作过程32.2.1有机太阳能电池的工作步骤42.2.2工作过程的损失52.3有机太阳电池的的结构62.3.1肖特基型有机太阳能电池62.3.2 双层异质结有机太阳能电池72.3.3本体异质结有机太阳能电池72.3.4染料敏化太阳能电池结构82.3.5多层叠层光伏器件92.4有机太阳能电池的性能参数10第三章 有机太阳能电池的光电模型123.1非相干光吸收模型123.2激子

9、传输模型16第四章 有机叠层太阳能电池的优化1841具有互补吸收层和高开路电压的有机叠层太阳能电池1842串联有机太阳能电池的扩大化频谱范围23第五章 有机叠层太阳能电池的性能模拟245.1有机叠层太阳能电池的光电场曲线245.1.1光电场性能曲线的制作算法245.1.2光电场曲线的制作流程25第六章 总结和展望306.1总结306.2展望30参考文献31附录32 南京邮电大学2011届本科生毕业设计第一章 绪 论1.1研究的意义与目的 太阳能是最重要的可再生能源和人类取之不尽的清洁能源。目前利用太阳能最有希望的工具就是基于半导体的光生伏打效应直接将太阳能转化为电能的太阳能电池。在过去的几十年

10、中,无机半导体太阳能电池得到了很快的发展, 光电转化效率从上世纪50 年代贝尔实验室的6%发展到如今的37.19%,占有了70%左右的太阳能电池市场,特别是在航空、航天等高技术领域更是无与伦比,但是它制作工艺复杂、成本高等,要制备大面积的无机太阳能电池,或者大规模的使用,有技术和成本的限制。相比之下，有机半导体太阳能电池的性能更具竞争力。一方面有机材料合成成本低、功能易于调制、柔韧性及成膜性都较好；另一方面具有最高转换效率（=5.15%）的叠层有机太阳能电池已经被理论证实。通过把两个不同的平面异质结（每个都具有很高的开路电压voc）设备结合在一起来实现。酞菁子电池中所采用的供体材料具有互补性的

11、吸收，这个性质是优化叠层电池光电流一个至关重要的因素。叠层结构的电池能产生将近2v的开路电压，然而填充因子仍然保持在60%以上。相应测量到的转换效率与优化后的单个电池相比提高了40% 。本文致力于研究如何选用叠层设备有机太阳能电池来提高太阳电池的转换效率。1.2研究的背景在过去的十年里，太阳能有机电池的应用在平稳增长。迄今为止，它的效率已达到5%。但是，他们的能力仍然要比基于无机材料的光电设备低。这是因为有机半导体中一些起限制作用的非本征特性。比如他们相对较低的载流子传输速度。他们低流动性以及短暂的载流子寿命限制了激活层的最大厚度，增加了可以被吸收和采集的光子数目。除了修改材料的特性，hira

12、moto etal提出了一种可以绕过这个限制的办法：两个相同的太阳能电池可由一个非连续半透明无机层堆叠和串行连接。这种层结构来自一块电池的电子与来自另一块电池的空穴的复合，这样的复合方式下，整个设备的开路电压voc与每个独立子单元的voc总和相等。有趣的是，最终设备的短路电流isc（根据基尔霍夫定律，它是由任意一块电池产生的），与单片优化电池的isc相等。这样，这种有关传输性能的方法（它基于对激活层厚度的优化），最终可以提升小分子（它也是基于共轭聚合物有机太阳能电池）的效率。1.3论文内容与结构 本论文主要研究有机叠层太阳能电池的基本理论，其内容包括：有机叠层太阳能电池的工作过程；有机叠层太阳

13、能电池的性能参数；有机叠层太阳能电池的光电模型；绘制并分析有机叠层太阳能电池的工作性能曲线。全文共分五章，各章内容如下：第一章绪论。介绍本论文的研究背景与意义，以及本文的内容和结构。第二章有机叠层太阳能电池基本理论。介绍了有机叠层太阳能电池的工作过程，基本类型，以及性能参数，重点讨论有机叠层太阳能电池的性能参数。 第三章有机叠层太阳能电池的光电模型。先介绍了非相干光吸收模型、激子传输模型，进而得出光电场分布，激子分布以及光电流密度分布。第四章运用matlab软件计算有机叠层太阳能电池的性能参数。根据激子分布公式和光电流密度分布公式，写出相应的matlab算法，实现工作性能曲线的绘制。第五章总结

14、与展望。对本文工作进行总结并对未来研究工作进行展望。本文的创新点：用软件实现了有机叠层太阳能电池工作性能曲线的绘制；设计了良好的软件界面。47第二章 有机太阳能电池的基本理论有机太阳能电池的研究开始于上世纪70 年代,迄今为止,这方面的研究已取得突飞猛进的进展。有机光伏电池是通过吸收光量子从而在固体材料中实现光电转换效应的一类固态光子器件。本章先阐述有机叠层太阳能电池的基本原理，并且介绍已经研究出来的几种有机太阳能电池的主要类型和有机叠层太阳能电池的性能参数。2.1有机太阳能电池的介绍有机太阳能电池这个概念貌似很新，但其实它的历史也不短跟硅基太阳能电池的历史差不多。第一个硅基太阳能电池是贝尔实

15、验室在1954年制造出来的，它的太阳光电转化效率约为6；而第一个有机光电转化器件是由kearns和calvin在1958年制备的，其主要材料为镁酞菁（mgpc）染料，染料层夹在两个功函数不同的电极之间。在那个器件上，他们观测到了200 mv的开路电压，光电转化效率低得让人都不好意思提。起步之初就高下立判哪。此后二十多年间，有机太阳能电池领域内创新不多，所有报道的器件之结构都类似于1958年版，只不过是在两个功函数不同的电极之间换用各种有机半导体材料。此类器件的原理如图1所示：有机半导体内的电子在光照下被从homo能级激发到lumo能级，产生一对电子和空穴。电子被低功函数的电极提取，空穴则被来自

16、高功函数电极的电子填充，由此在光照下形成光电流。理论上，有机半导体膜与两个不同功函数的电极接触时，会形成不同的肖特基势垒。这是光致电荷能定向传递的基础。因而此种结构的电池通常被称为“肖特基型有机太阳能电池”。2.2有机太阳能电池的工作过程有机太阳能电池的工作过程是基本原理的重点部分，工作过程包括两部分：工作步骤以及在工作过程中存在的能量损失。下面将分别对这两个部分进行讨论。2.2.1有机太阳能电池的工作步骤太阳能电池是太阳能光伏发电的基础和核心，是一种利用光生伏打效应把光能转变为电能的器件。用适当的光照在上边之后器件两端会产生电动势。典型的太阳电池是一个p-n结半导体二极管 （1）p-n结的形

17、成过程 太阳电池 p-n结（2）光生载流子电子空穴对的产生光子把电子从价带(束缚)激发到导带(自由)，并在价带内留下一个/空穴(自由)产生了自由电子空穴对“光生载流子” 的产生（3）“光生电压”及“光生电流”的产生自由电子和空穴扩散进入p-n结，n-p结作用下，分别在n区和p区形成电子和空穴的积累“光生电压”的产生2.2.2工作过程的损失在有机太阳能电池的实际工作中，器件的能量损失贯穿于整个过程，研究能量损失可以为以后的性能参数中光电转换效率的讨论理清思路。具体损失如下： （1）光子损失一是由于有些有机光伏电池材料的能量带隙很大, 因为，使得光吸收波长范围很窄,吸收的光子数量受到很大限制。二是

18、由于传统的光伏材料不具备光富集的性质，限制了光子的吸收。 （2）激子损失 在激子形成之后，因为激子的扩散长度小,界面面积小等原因,光子激发激子的分离和迁移并非全部都能形成光电流,激子和电荷在迁移过程中会发生多种复合和损耗, 让激子返回原来的初态，并放出与被吸收光子相应的能量，使有效到达电极的载流子数量与激子相比大大减少。 （3）载流子损失。激子发生分离的电子和空穴在附近区域会因库仑力而相互吸引发生复合, 有机聚合物的载流子迁移率 须达到某一数值 ,才能克服库仑力,避免复合。然而传统的有机聚合物室温下要低于这一数值的1/10 , 这说明只有一小部分载流子能发生迁移,形成光电流，造成载流子的损失。

19、2.3有机太阳电池的的结构第一个有机光电转化器件是由kearns和calvin在1958年制备的，其主要材料为镁酞菁(mgpc)染料，染料层夹在两个功函数不同的电极之间。在那个器件上，他们观测到了200 mv的开路电压，光电转化效率低得让人都不好意思提 。1986年，柯达公司的邓青云博士. 光电转化效率达到1左右。时至今日这种双层膜异质结的结构仍然是有机太阳能电池研究的重点之一。1992年，土耳其人sariciftci发现，激发态的电子能极快地从有机半导体分子注入到c60分子而反向的过程却要慢得多1993年，sariciftci在此发现的基础上制成ppv/c60双层膜异质结太阳能电池。此后，以

20、c60为电子受体的双层膜异质结型太阳能电池层出不穷。 研究人员在此类太阳能电池的基础上又提出了一个重要的概念：混合异质结(体异质结)2.3.1肖特基型有机太阳能电池 肖特基有机太阳能电池为单层结构，只有一层同质单一极性的有机半导体材料内嵌于两个电极之间。如图2-3所示： 图2-3肖特基有机太阳能电池结构图2-3（a）为电池单层结构图，图2-3（b）为能级示意图，在图2-3（b）中，homo是材料的最高空占据轨道, lumo 是材料的最低空占据轨道。 有机半导体内的电子在光照下被从homo能级激发到lumo能级，产生一对电子和空穴（激子）。由于两个电极功函数的不同, 空穴占据的homo能级与具有

21、较低功函数的电极之间将形成肖特基势垒(见图中能带弯曲区域), 即内建电场，这是激子分离的驱动力。 因此只有扩散到肖特基势附近的激子,才有机会被分离。然而, 有机物中激子扩散长度很短， 且肖特基势的范围在电极与材料接触界面处很小, 所以能够发生分离的激子极少,单层器件的光电转换自然会很低。2.3.2 双层异质结有机太阳能电池在双层膜异质结光伏器件中, 给体和受体有机材料分层排列于两个电极之间, 形成平面型d-a 界面。结构如图2-4所示： 图2-4双层异质结有机太阳能电池结构器件的工作过程如前2.2中所述，分为四步：（1）光激发产生激子；（2）激子扩散；（3）激子在给体/受体（d/a）界面的分裂

22、；（4）电子和空穴的漂移及其在各自电极的收集。在双层异质结电池的研究中，尤其突出的是将作为受体材料，在有机半导体材料与c60的界面上，激子可以以很高的速率实现电荷分离，而且分离之后的电荷不容易在界面上复合，可以对外来的电子起到稳定作用。因此是一种良好的电子受体材料。与单层器件相比,双层器件的最大优点是提供了电子和空穴传输的材料。当激子在d-a 界面产生分离后, 电子在受体材料中传输, 而空穴则在给体材料中传输。因此电荷分离效率较高,自由电荷重新复合的机会也降低。2.3.3本体异质结有机太阳能电池本体异质结，就是将给体和受体在整个活性层范围内充分混合, 使da界面分布于整个活性层。这种结构可以通

23、过共蒸或者旋涂的方法制成。其结构如图2-5所示：图2-5本体异质结有机太阳能电池结构由于给体/受体复合体的互穿网络结构,即将电子给体和受体混合在一起,在整个激活层范围内形成异质结体系,从而有效地增加了界面面积，促进激子分离。与双层异质结器件相比，主要工作过程是相似的，但存在以下两点不同： （1）双层异质结器件的da界面是平面的，并没有充满整个活性材料，而本体异质结器件中由于给体受体材料混合，充满整个活性材料。 （2）如前所述，在双层器件中，分离后的载流子可以分别在给体/受体材料中连续传输，而在本体异质结器件中，给体和受体发生了不连续的相分离，载流子只能跳跃传输而不能发生有效长距离的迁移而到达电

24、极。因此双层异质结器件中载流子传输效率相对比较高，而本体异质结器件由于受载流子传输特性所限, 对材料的形貌、颗粒的大小较为敏感。2.3.4染料敏化太阳能电池结构20世纪60年代，德国的tributsch发现了染料吸附在半导体上并在一定条件下产生电流的机理，使人们认识到光照下电子从染料的基态跃迁到激发态后继而注入半导体的导带的光电子转移是造成上述现象的根本原因。这为光电化学电池的研究奠定了基础。但是由于当时的光电化学电池采用的是致密半导体膜，染料只能在膜的表面单层吸附，而单层染料只能吸收很少的太阳光，多层染料又阻碍了电子的传输，因此光电转换效率很低，达不到应用水平。后来人们制备了分散的颗粒或表面

25、积很大的电极来增加染料的吸附量，但一直没有取得非常理想的效果。1988年，grätzel小组用基于ru的染料敏化粗糙因子为200的多晶二氧化钛薄膜，用br2/br-氧化还原电对制备了太阳能电池，在单色光下取得了12 %的转化效率，这在当时是最好的结果了。直到1991年，grätzel在oregan的启发下，应用了oregan制备的比表面积很大的纳米tio2颗粒，使电池的效率一举达到7.9 %，取得了染料敏化太阳能电池领域的重大突破。应当说，纳米技术促进了染料敏化太阳能电池的发展。燃料敏化太阳能电池示意图2.3.5多层叠层光伏器件多层膜结构由夹在两个半无限层()之间的个单层组

26、成, 这个结构含有交替着的给体受体材料间形成的超叠层，叠层厚度大约在0.5nm左右,结构如图2-7所示：图2-7多层叠层光伏器件结构此器件与叠层器件相比，在结构方面，叠层器件的不同单个器件间必须插入透明的，具有欧姆阻值的接触层。多层结构无欧姆接触，这个结构含有交替着的给体受体材料间形成的超叠层，叠层厚度大约在0.5nm左右。在短路电流方面，多层器件的短路电流与单个器件相当。在开路电压方面，叠层器件的开路电压是单个器件的整数倍，其倍数为被叠层器件的数目 。2.4有机太阳能电池的性能参数 （1）短路电流（）短路电流：将有机叠层太阳能电池短路，单位时间内流过回路的电量,此性能参数取决于收集载流子数目

27、的大小。 （2）开路电压（） 将有机叠层太阳能电池开路，正负电极两端的电压。 (3) 填充因子()指电池的最大输出功率()与开路电压和短路电流乘积之比值 （2.1）(4) 外量子效率(external quantum efficiency, ), 也称为入射光转换效率，定义为入射光子数与被光伏电池收集的电子数之比。当激子在给体-受体界面分离时, 可表示为： （2.2）式中, 为光子吸收效率； 为激子扩散效率； 为激子解离效率； 为自由电荷输运效率； 为电荷收集效率。若入射的是波长为 (单位为nm)的单色光, 则电池的外量子效率 可进一步改写为： （2.3）式中, 是短路电流, 单位为macm2

28、; 是辐照功率, 单位为mwcm-2。 （5）内量子效率(internal quantum efficiency, ), 也称为吸收光转换效率，定义为吸收光子与被光伏电池收集的电子数之比。器件的内转换效率 可通过器件的吸收光谱和外量子效率来表示： （2.4）式中, 和 分别是透过率和折射率。 体现了光进入到器件后可转换为电的效率。 （6） 电池的功率转换效率 ，定义为最大输出功率与辐照功率 之比： （2.5）第三章 有机太阳能电池的光电模型根据光学原理和扩散理论,建立了非相干光吸收模型和激子传输模型,模拟了限制光伏效率的光吸收和激子扩散两个主要过程。这为充分掌握有机光伏电池的工作特性,提高有机

29、叠层太阳能电池的工作效率,制作高效光伏电池提供了理论基础。我们现在讨论的有机叠层太阳能电池，其器件结构为多层叠层光伏器件结构。研究出此结构的光电模型，可以说有机叠层太阳能电池的研究上升到了一个新高度，这为以后的了解，改良光伏器件都起到了很好的辅助作用。3.1非相干光吸收模型当一束频率范围一定的光垂直照射到厚度一定的介质时,在介质内部会由于前后两界面反射而形成的光波,这些光波会与入射光相互叠加.若介质的厚度不是远大于入射光的波长时,介质中就会发生比较明显的干涉效应,所形成的光电场是由入射光和各次反射光波相叠加而成,并非光强度的简单叠加.对于聚合物光伏电池的激活层,其叠层厚度在10100 nm范围

30、,远小于入射光波长,因此必须考虑光学干涉效应对器件中光电场分布的影响。聚合物光伏电池中光电场理论模型的建立,我们采用图中所示的结构,多层膜结构由夹在两个半无限层()之间的个单层组成，如图3-1： 图3-1 光电场理论模型结构设 ()层的厚度为,复折射率为 （3.1） 假设各个界面均为光学平面，入射光从左至右沿着表面法线方向入射,任意两层之间的界面处入射光被分为透射波和反射波.在相邻的和层的界面处,分别用和表示在层和层中沿正向和反向传播的光电场,这时光电场的传播可由分层介质的界面矩阵加以表示： （3.2）对沿着表面法线方向传播的平面波,其菲涅耳复合反射系数和透射系数分别为： （3.3） （3.4

31、）光波在层中传播所引起的吸收和相位移,可由阶层矩阵表示,即 （3.5）式中，。 介于最外两层和层之间多层膜对光电场所产生的影响可用转移矩阵加以表示,即 （3.6）式中。因而可得单层膜的反射系数和透射系数分别为 （3.7） （3.8）这时,多层膜的吸收效率为 （3.9）多层膜透射率为 （3.10）多层膜折射率为 （3.11）光伏电池器件一般沉积在透明的玻璃基片上,其厚度为0.11 mm,远大于入射光波长,因此衬底在空气/基片、基片/膜界面的影响可通过修正和来处理，而不是通过对传输矩阵的直接计算进行处理。 （3.12） （3.13）式中 （3.14） （3.15）式中，是衬底的复折射率。吸收效率为

32、。 为了计算任意层中的光电场,总的转移矩阵可表示为 （3.16）式中 （3.17） （3.18）光在层左边层传播时反射系数，透射系数分别为： （3.19） （3.20）光在层右边层传播时的反射系数，透射系数分别为： （3.21） （3.22）光电场在层左边界面处正向传播与入射光波有如下关系: （3.23）同样可得层左边界面处负方向的电场为： （3.24）以入射光波形成电场的形式表示层中任意点处的光电场： （3.25）归一化后的光电场强度公式为： （3.26） 入射光子的能量大于激子产生所需要的能量时,就会引起材料对光的吸收并在 材料内部产生激子。对于波长为的入射光,激活层中层的某点处单位时间内

33、所吸收的光子能量为 （3.27）式中，为光速,为真空介电常数， （3.28）结合光电场公式(3.25),上式可变为（3.29）式中，和分别为的绝对值和幅角。 (3.30)从上式可以看出, 层中点处对入射光的吸收由三部分组成,分别为点处的透射波、反射波以及两波产生的相干波。3.2激子传输模型 单位时间单位体积内层中点处所产生的激子数可表示为 (3.31)式中，为入射光频率,为激子的量子产额,即每吸收一个能量大于的光子所能产生的激子数。由于多层膜中不同位置处光吸收密度的差异，激子在叠层中会产生浓度梯度,激子不带电荷,因而激子的传输只能通过扩散引起。设为激子浓度,为激子扩散系数,为激子的平均寿命,只

34、考虑一维情况,即假定激子浓度只随层中位置的变化，激子的扩散方程可表示为 (3.32)式中等号右边第一项为激子扩散传输项,第二项为激子复合损失项，第三项则为激子的光产生项。 当多层膜只有4层（阳极，给体，受体，阴极）时，激子浓度分布达到稳态,不再随时间而变化，给体层（）中连续稳态激子扩散方程为： (3.33)再把3.1中得出的吸收光子能量公式代入连续稳态激子扩散方程，得到： (3.34)式中，是单位时间单位面积入射的光子数， (3.35) (3.36)假设激子在电极/叠层界面及扩散到d/a界面处都可以分裂成自由电荷,可得边界条件为， 。 根据边界条件，得出 (3.37) (3.38)处，激子扩散

35、至d/a界面处对光电流密度的贡献为： （3.39）根据激子密度公式，可得到处的光电流密度公式： （3.40）处，激子扩散至d/a界面处对光电流密度的贡献为： (3.41)根据激子密度公式，可得到处的光电流密度公式： (3.42)则层中在的外部量子效率可表示为 （3.43）由 （3.44）得 （3.45）由此可见，与入射光强无关。第四章 有机叠层太阳能电池的优化41具有互补吸收层和高开路电压的有机叠层太阳能电池具有最高转换效率（=5.15%）的叠层有机太阳能电池已经被理论证实。通过把两个不同的平面异质结（每个都具有很高的开路电压voc）设备结合在一起来实现。酞菁子电池中所采用的供体材料具有互补性

36、的吸收，这个性质是优化叠层电池光电流一个至关重要的因素。叠层结构的电池能产生将近2v的开路电压，然而填充因子仍然保持在60%以上。相应测量到的转换效率与优化后的单个电池相比提高了40%。2010美国物理研究所。有机太阳能电池由于它低成本发电的潜能，最近引起了人们极大的兴趣。然而大多数有机半导体的光学带宽非常小，使得用单一材料对太阳光频谱最优化覆盖的想法难以实现。即使有机光电设备与两种材料（一种为施主材料，一种为受主材料）结合在一起，这样做的目的是实现高效的电荷分离，大多数常用的受主分子是具有蓝色吸收谱的富勒烯家族中的一员。因此，施主材料的吸收谱在确保能够完全覆盖太阳光谱这方面是至关重要的。一个

37、设计合理的堆放或叠层设备可以规避单个电池的有限吸收谱。在此结构中，很多个电池一个叠加在另一个的顶部上，连在一起增加整个的吸收谱。然而，材料的选择很重要：不同子电池的材料的吸收谱应该不同。用这种方法，一束光即使不能被一个子电池吸收，在另一块子电池中仍然可以产生光电流。使用具有很小光学带宽的互补吸收材料具有额外的好处-他减少了热息损失。的确，被吸收的光子的能量比材料的光学能量带隙要大，产生激发态可以通过热能的形式释放过剩的能量。在具有小的光学带宽的材料中这种直接的能量损失已经降到了最小，这样在给定材料的带隙的情况下，他可以实现具有更高开路电压的太阳能电池。聚合物富勒烯叠层太阳能电池通常展示出不同施

38、主材料吸收频谱温和的互补特性。在这项研究中，我们使用了各种具有高互补吸收谱特性的以小分子酞菁为基底的施主材料。当与优化过后的复合层结合时，它使得我们能够证明叠层电池的开路电压达1.92v，使效率达5.15%。光电设备是建立在清洁的，用溶剂洗过的预模铟锡氧化物（ito）之上的。样本在进行处理之前先要经过15分钟的紫外线（o3）的照射。有机材料如subpc ，clalpc，subnc，c60，ptcbi，bcp，在把他们装载到真空蒸发室（偏压小于510-7torr）之前至少经过一次真空热梯度升华的纯化。moo3，ag被当做受主使用。被蒸发的ag阴极通过荫罩，确定了十三平方毫米激活区域。在黑暗的环境

39、下，用一个模拟的太阳光照明以吉时利2602使用的计量为单位，abet太阳模拟器来模拟测量其光电特性，并且用夫琅和费认证的光伏电池校准以达到100 mw/cm2的am1.5g频谱。测量外部量子效率时，来自氙气和石英制的卤钨灯的光源被耦合到一个单色器中去，他们的强度通过硅光电二极管来校准。入射到此设备上的光分成多束，用电流-电压和锁定放大器可以探测到被调制过后的电流信号。使用椭圆偏振光谱分析仪可以测量光学常数。层堆叠的串联结构示意图，如图1所示。子电池被夹在两个80纳米厚的ito层（完整的阳极设备）与一个150nm厚的银（阴极）之间。子电池的高效重组可以用薄金属层，高掺杂的有机层或者是金属氧化物展

40、示出来。在我们的研究中图 1子电池用一个优化的重组层进行级联，有5nm的ptcbi，薄薄的银，以及2nm厚的moo3组成。公认的银层的厚度是0.1nm，但是银无法形成一个密封层。所有的电池都是用c60作为受主材料，施主材料都是在subpc,subnc,或者ciaipc中选择。这些特别的施主材料都是因为他们的高吸收系数以及高开路电压而闻名。有机薄膜材料的消光系数如图2（a）所示。频谱满足这项研究中叠层结构的要求，即小的光学带宽（150-200nm），以及subpcsubnc和subpcclalpc受主对的小的互补吸收系数。激子的扩散长度ld由单个平面异质结电池的拟合外量子效率决定，异质结是有不同

41、厚度的层组成，每层都用传输矩阵的方法进行光学模拟，ld是一个拟合参量。subpc, clalpc,subnc,和c60对应的ld分别为122 nm,51 nm, 235 nm, 及212 nm。模拟叠层结构中子电池的外量子效率和电流密度jsc时用的是相同的光学模拟方法，我们假定最低的电流密度jsc可以限制叠层电池产生的光电流。最后，phj子电池的放置有光的干涉效应决定。反光银阴极作为一个固定节点起为超薄堆叠层的光波起到支撑作用，波腹的位置主要取决于有机薄膜的波长和折射系数，波长越大波腹距离银接触点越远。因此，吸收白光频谱中绿色部分的子电池，含有subpc的子电池应作为后背电池，但是吸收谱在红色

42、或是紫红色的子电池，含有ciaipc，成为前向电池。相比之下，使用厚的体异质结bh0j（几个波腹可以同时存在一个设备中，与这里考虑的电池相比，bhj的吸收频谱明显具有更大的带宽）。在那种情况下，前向电池应该吸收具有更高能量的光子，不然的话在背向电池中会导致热弛豫损失。单纯型算法-施主和受主层的厚度是参量，这样可以优化叠层结构。优化过的堆叠层中电池光模平方的归一化e2施主材料中具有峰值吸收光波长p，如图3所示。我们可以看到材料subpc和ciaipc中，各个层的内部，电场已经达到了最大值。而对于subnc来说，这个值是在p附近。在d-a干涉对中，这个理想的效应可以产生最大的光电流。作为参考，我们

43、使用了具有相同d-a厚度的，沿着各自的叠层电池的单体电池。前向子电池和单个参考电池由7.5nm厚的subnc,16nm厚的c60,16nm厚的ciaipc，和20nm厚的c60组成。背向电池和参考电池含有16nm厚的subpc,和20nm厚的c60。而subpc参考电池中，2nm厚的m0o3被沉积在ito上为了减小叠层设备中他的影响。所有的参考电池都铺上bcp和银。但是叠层设备和参考设备型的电池的光学干涉条纹是不同的，这使得我们可以比较其他的参量，例如填充因子（ff），开路电压（voc）。单个和叠层电池在照明下测量到得电流-电压密度图（图4）证明了该串联串联结构正确运行，那种情况下voc是所有

44、子电池的开路电压之和。表一总结了这些设备中提取的参数。作为比较，优化过后的，基于各种不同的施主材料的单个phj子电池的最高效率都已经表示出来。尽管叠层设备的voc与所有子电池的开路电压之和相等或者能更高，subncsubpc可以达到2v，但是他的电流密度与优化过后的的那个电池相比下降了25%40%。此外，填充因子ff子在叠层设备中仍然很高，这位复合层rz有效地工作提供了证据。于是，叠层设备的效率与优化过后的单个电池相比提高了10%40%，clalpc/subpc峰值可达4.1%，subnc/subpc叠层峰值可达5.15%。测量到的单个参考电池的外量子效率谱图2（b）证明了叠层子电池中光子的互

45、补频谱。把这些频谱与am1.5g进行卷积得到的光电流的置jeqe与表一中测量到得电流密度jsc很接近。由于叠层结构子电池中的e2与单个电池相比发生了变化，外量子效率也因此而不同。光学模拟在clalpcsubpc结构的前向和后背电池值为3.5 ma/cm2和4.1ma/cm2,而在subncsubpc中为3.8 ma/cm2 和4.2ma/cm2。图2图3图4总而言之，我们证明了互补吸收的结合，级联叠层结构中有效的复合区域中具有高开路电压的单个电池。使用到的非常薄的有机层使得我们就可以优化利用光的干涉，使电流密度jsc得到优化，开路电压voc等于子电池的和，达到了2v。最终，我们证实了具有互补吸

46、收效应的子电池产生的叠层电池效率为5.15%，与优化过后的单个电池相比提高了40%。未来的工作旨在进一步提高吸收的不对称性，或加入平面混合异质结概念来增加电流密度和效率。42串联有机太阳能电池的扩大化频谱范围为了提高有机光电设备的频谱范围，我们通过使用一个1nm厚的中间复合层(主要是金)把一个以酞菁锌：c60为基底的电池叠加聚-3己基噻吩：6.6-苯基c61丁酸甲基酯层上。这种叠层设备由具备互补吸收频谱的激活材料组成，他的短路电流（isc）为4.8ma cm-2 ，开路电压（voc）为1020mv，填充因子为0.45.测量在不同波长的入射光下产生的光电流，结果显示波长在400nm到800nm的

47、光子都会被转变为带电载流子。通过对各个层的厚度进行优化，我们有可能得到更高效率的设备。在过去的十年里，太阳能有机电池的应用在平稳增长。迄今为止，它的效率已达到5%。但是，他们的能力仍然要比基于无机材料的光电设备低。这是因为有机半导体中一些起限制作用的非本征特性。比如他们相对较低的载流子传输速度。他们低流动性以及短暂的载流子寿命限制了激活层的最大厚度，增加了可以被吸收和采集的光子数目。除了修改材料的特性，hiramoto etal提出了一种可以绕过这个限制的办法：两个相同的太阳能电池可由一个非连续半透明无机层堆叠和串行连接。这种层结构来自一块电池的电子与来自另一块电池的空穴的复合，这样的复合方式

48、下，整个设备的开路电压voc与每个独立子单元的voc总和相等。有趣的是，最终设备的短路电流isc（根据基尔霍夫定律，它是由任意一块电池产生的），与单片优化电池的isc相等。这样，这种有关传输性能的方法（它基于对激活层厚度的优化），最终可以提升小分子（它也是基于共轭聚合物有机太阳能电池）的效率。除了他们的传输特性，有机半导体也显示出被限制了的光电特性，这是因为他们的光吸收被频谱限制了。通过对有着不同带隙的激活物质的叠加，我们可以实现真正的串联太阳能电池，这是对未来性能的一种展望。这个概念可以用来提高非有机太阳能电池的效率，即通过减少由于带电载流子的热化而产生的能量损失。但是在有机材料中，通过掺入

49、某些具有互补吸收频谱的半导体我们可以捕获更多的光子。然而，至今为止我们没法将其实现。在此，我们不得不提triyana etal，他在一个全蒸发的结构中已经结合多种不同的激活材料。这些有机半导体的吸收频谱相差不大；因为我们还不可以观察到明显的谱扩展性能。在这项研究中，把共轭聚合物用不同的吸收频谱和基于太阳能电池的小分子堆在一起，我们可以看到这些串联设备捕获的光子数比整个可见频谱的要多。第五章 有机叠层太阳能电池的性能模拟在第三章中,已讨论过有机叠层太阳能电池的非相干光吸收模型与激子传输模型,从理论上给出了激子密度分布公式,光电流密度公式以及器件中任意点处的光电场公式,本章采用matlab7.0软

50、件将这些性能曲线绘制出来，并分析有机叠层太阳能电池的参数对性能的影响。本章中所有理论模型都是采用多层膜结构，并且m=4,即器件是由基底和4层膜组成，4层膜分别为阳极，给体，受体，阴极。结构如图5-1所示：图5-1有机叠层太阳能电池理论模型的结构5.1有机叠层太阳能电池的光电场曲线根据有机叠层太阳能电池非相干光吸收模型的基本理论，可以设计出使用matlab绘制曲线的制作流程与制作算法。5.1.1光电场性能曲线的制作算法根据3.1节提出的有机叠层太阳能电池的光电场的算法，采用matlab7.0软件进行性能曲线的绘制。制作算法具体如下：1、为了计算出图5-1所示结构的光电场，我们必须知道层的复折射率，读入复折射率（）。2、根据公式（3.3），（3.4），代入复折射率，计算得出相邻层的反射率，透射率。3、根据公式（3.2），代入，计算得到界面矩阵。4、根据公式（3.5），代入，先计算，从而计算出阶层矩阵。5、把阶层矩阵和界面矩阵代入公式（3.17），（3.18），分别