有机太阳能电池的模拟

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有机太阳能电池器件制作工艺相对简单、成本较低廉、可以大面积制造和柔性制备,因而倍受人们关注。但是有机光伏电池的光电转换效率较低,影响其光电转换效率的原因主要是活性层中的光吸收、激子的传输与分离、以及自由电荷在电极处的收集过程。有机光伏器件中活性层的光吸收和激子的分离对器件性能有着重要的影响,提高活性层的光吸收和激子的有效分离,能够提高入射光能量和所产生激子的利用率,从而提高光伏器件的光电转换效率。在研究其结构参数和材料特性对器件效率的依赖性时,对器件进行模拟是重要的,利于分析影响有机太阳能电池性能的物理机制,以及预测他们能达剑的最高效率。  本文基于光学传递矩阵和激子扩散理论,对有机光伏器件光电流进行了模拟计算和研究,主要涉及有机光伏器件中活性层的光吸收、激子扩散输运和光电流,研究表明:  (1)对器件结构为:ITO(150nm)/CuPc(90nm)/C60(45nm)/Al(100nm)结构内三个典型波长(300nm,500nm,800nm)的光场分布进行了计算,发现不同波长的光电场强度在器件内分布差异十分明显,单个波长不能计算光电流,为进一步计算光电流,对300-800nm波长范围的光波进行激子产生率分布集成计算,进而计算能量吸收率、激子产生率、稳态激子浓度与器件位置关系和器件光电流。  (2)对于CuPc材料和C60材料,其激子产生率高的光谱分布范围也显著不同,CuPc集中在500nm波长附近,C60集中在350nm波长附近,光谱分布范围和相应材料的消光系数有很大关联,同时也受干涉光效应影响。  (3)对于有机太阳能器件结构ITO/CuPc/C60/Al结构,所模拟出的光电流趋势基本可以与实验值吻合,CuPc所贡献的光电流远小于C60,主要原因是CuPc激子扩散长度只有10nm,在现有器件中CuPc厚度>45nm,大部分激子离D/A界面较远,无法形成有效的扩散输运。  (4)对于有机太阳能器件结构ITO/CuPc/C6o/BCP/Ag结构,所模拟出的光电流趋势基本可以与实验值吻合,器件中随着C60厚度的增加,C60所贡献的光电流先增大至最大值后开始减小,CuPc中光能量分布逐渐减小,CuPc所贡献的光电流也越来越小。
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