本文關(guān)鍵詞： 有機(jī)太陽能電池 鈣鈦礦太陽能電池 光吸收增強(qiáng) 光子模式 表面等離激元　出處：《太原理工大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：太陽能光伏發(fā)電是綠色、可再生能源技術(shù)之一,在未來能源利用中將占有愈來愈重要的地位。其中薄膜太陽能電池由于可以節(jié)省材料、降低能耗、輕便、利于實(shí)現(xiàn)柔性器件、半透明器件等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)被公認(rèn)為未來太陽能電池中非常有前景的發(fā)展方向。迄今為止,已經(jīng)出現(xiàn)了不同活性材料制造的低成本超薄膜太陽能電池,包括有機(jī)太陽能電池(Organic Solar Cells,OSCs)和鈣鈦礦太陽能電池(Perovskite Solar Cells,PSCs)等。然而,超薄活性層會引起光吸收不足,從而造成光電轉(zhuǎn)換效率(Power Conversion Efficiency,PCE)偏低。為提高PCE,在電池中引入陷光結(jié)構(gòu),通過激發(fā)表面等離激元和/或腔模、布洛赫模等光子模式來增加光吸收的方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。本文通過時域有限差分(FDTD)方法和有限元法(FEM),理論上設(shè)計了基于二維陷光結(jié)構(gòu)的薄膜太陽能電池,通過對所設(shè)計電池關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的掃描和優(yōu)化,明確了器件結(jié)構(gòu)參數(shù)對光吸收性能的影響,并通過電磁場的空間分布、時域傳播特性及共振模式分析,探討了光吸收增強(qiáng)機(jī)理。本文的研究將為高效率薄膜太陽能電池的研發(fā)提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。主要研究結(jié)果如下:首先,將金屬納米球(metalnanospheres,mnps)摻入有機(jī)太陽能電池中,利用fdtd方法分別研究了兩種不同mnps(ag和au納米球)對具有優(yōu)化厚度活性層光吸收的影響。結(jié)果表明,oscs的光吸收增強(qiáng)取決于mnps的性質(zhì)和給受體混合體系的類型。對于優(yōu)化厚度的活性層,金屬納米顆粒引起光吸收的增強(qiáng)因子遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)報道的pce的增強(qiáng)因子,表明摻雜mnps所帶來oscs的pce提高并不只來源于金屬顆粒所帶來的光吸收增強(qiáng),更主要的是金屬納米顆粒誘導(dǎo)的oscs電性能的提高。另外,研究了ag@sio2核/殼納米球陣列的陷光能力發(fā)現(xiàn)ag@sio2納米粒子陣列引入osc可以帶來明顯的吸收增強(qiáng),其增強(qiáng)效果小于ag納米球陣列但高于sio2納米球陣列。對psbtbt:pc71bm中摻入ag納米球陣列的場分布研究表明:吸收增強(qiáng)主要是由于表面等離激元激發(fā)所引起的磁共振和電共振所致。其次,提出在ito上引入二維介質(zhì)納米球陣列,且所有功能層保持與納米球陣列共形的凹凸結(jié)構(gòu)。計算結(jié)果表明:光垂直入射下,在400-900nm波段內(nèi)活性層總的吸收率達(dá)到76.6%,相較于平板參比器件,吸收率提高了21.6%。同時,此結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出寬譜、廣角的吸收特性。通過場分布分析得到:吸收增強(qiáng)主要是由于腔模、布洛赫模組成的光子模式和表面等離激元模式的激發(fā),以及兩者的耦合的作用。其中,光子模式的激發(fā)又是psbtbt:pc71bm活性層增強(qiáng)的主要原因。此外,針對薄膜鈣鈦礦太陽能電池(具有100nm厚的鈣鈦礦層)存在長波段光吸收不充分的問題。提出了基于二維Ti O_2納米碗和TiO_2納米半球陣列的鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)。通過計算得到:光垂直入射,在350-800 nm波長范圍內(nèi),基于TiO_2納米碗的PSC,活性層總吸收效率達(dá)65.7%,而基于TiO_2納米半球PSC活性層的總吸收效率達(dá)64.8%,相較于平板結(jié)構(gòu)分別提高了18.4%和16.8%,相當(dāng)于300 nm厚鈣鈦礦層吸收效率的90%左右。并且,兩種器件都具有廣角吸收特性,詳細(xì)的場分布研究表明,在長波段光吸收的顯著增強(qiáng)歸因于多種光子模式、表面等離激元模式的激發(fā)及其相互耦合作用。
[Abstract]:A thin - film solar cell based on two - dimensional trapping structure has been widely used in the research and development of high - efficiency thin - film solar cells .

【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TM914.42

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本文編號：1527290