载流子迁移率对有机太阳能电池性能影响的模拟研究

通过器件模拟的方法研究了载流子迁移率对有机太阳能电池性能的影响。研究发现载流子迁移率同时影响光生电子-空穴对的解离和载流子的输运过程,电子和空穴的迁移率都有一个最佳值。大于最佳值会导致短路电流的微小上升和开路电压的大幅下降;小于最佳值会降低光生电子-空穴对的解离效率,进而使短路电流和填充因子明显下降。     

有机p—n异质结固态太阳能电池中的激子和载流子输运

在实验工作的基础上，提出了双层ｐ－ｎ异质结有机太阳能电池中激子和载流子输运的理论模型。假设只有扩散到结区的激子和该区产生的激子，才对形成光电流有贡献。这些激子被有机／有机界面的内建场离解成自由载流子。而后，电子在Ｂｅｉ红（ｎ型有机半导体）层传导，空穴在酞菁（ｐ型有机半导体）层传导。据此，讨论了在Ｂｅｉ红／酞菁异质结电池中，Ｂｅｉ红（Ｍｅ－ＰＴＣ）层和铝氯酞菁（ＣｌＡｌＰｃ）层之间的Ｆｏｒｓｔｅｒ能     

迁移率对单层有机发光器件中电场与载流子分布的影响

有机发光器件的宏观特性与有机层中的电场和载流子浓度分布密切相关。建立的有机电致发光器件模型是由两个金属电极中间夹一层有机发光薄膜材料组成的单层器件,金属与有机发光层之间为欧姆接触。模型以载流子运动的扩散-漂移理论为基础,利用数值方法研究了有机发光层中双极载流子注入时的电势、电场、载流子浓度和复合密度分布。分析结果表明:当两种载流子的迁移率相同时,电场强度、载流子浓度、复合密度的分布呈对称形式。而当电子和空穴的迁移率μn和μp相差比较大时,高迁移率的载流子不仅仅分布在注入端附近而且还有一小部分能够传输到另一端,而低迁移率的载流子只分布在其注入端附近;当μn、μp的大小相差不大时,载流子传输情况就介于两者之间。当μn/μp的比值变化时,电场强度的极大值向载流子迁移率小的注入端偏移。     

新型高效聚合物/富勒烯有机光伏电池研究进展

有机聚合物/富勒烯本体异质结光伏电池以其不断提高的能量转换效率受到了研究人员的广泛关注, 近年来成为光伏电池研究领域的热点之一. 本文主要通过对聚合物/富勒烯太阳能电池的内部机理,包括光吸收、激子扩散和解离以及自由载流子输运和提取等关键科学问题, 从器件材料和结构优化、形貌控制和界面修饰等不同侧面介绍了提高聚合物/富勒烯太阳能电池性能的方法, 讨论了各种器件的结构和能量转换效率, 对于进一步开展这方面的研究工作指明了方向, 最后对其未来的发展前景做出了展望.     

晶硅太阳电池原位光老化及热致输运机理

为研究晶体硅太阳电池在标准模拟光条件下的输出特性变化规律和电池内部载流子输运特性,采用原位光老化技术对被测电池进行光照处理,按标准测试实验流程测量电池的伏安特性及光谱响应等参量,发现原位光老化后太阳电池伏安特性各项参量衰减,导致电池效率降低;短波段光谱响应微量下降,是由于原位光老化过程中电池表面产生极微量的面缺陷导致经过硅表面的微量载流子被复合;而长波段响应明显降低,是由于晶硅内大量体缺陷被激活导致长波载流子在经过硅材料内部时被复合.随后将光老化后电池退火并测量比对电池各项特性参量,结果表明,退火对光老化后电池内部深层体缺陷具有较好的修复功能,但对浅层面缺陷没有修复功能,最终造成电池伏安特性参量和光谱响应只得到部分恢复.     

Q有机聚合物材料中光生载流子传输的跳跃输运

本文描述了跳跃模型在有机聚合物光折变材料中空间电荷场理论上的应用.在Feinberg针对无机光折变晶体提出的电荷传输过程模型-跳跃模型(Hopping Model)基础上,根据有机聚合物光折变材料的特点,考虑了光生载流子产生过程中的电子空穴对的复合过程(对复合和双分子复合过程)和激发光场的频率(即激发光子的能量)对光生载流子产生的影响,给出了有机聚合物材料中光生载流子产生的量子效率和光生载流子的分布密度及其跳跃率的新表示,完成外加调制光场和静电场同时作用下有机聚合物材料中光生载流子传输的跳跃方程,得到空间电荷场建立的动态过程和稳态时的解析表达式及其数值计算结果.     

镀膜法改善有机薄膜太阳能电池光学性能

有机活性材料的低载流子迁移率使得有机光伏电池的电极收集到的电荷较少。增加活性层光吸收能够增加激子的产生数从而增加电极收集到的电荷,提升器件的性能。通过对器件模拟的方法,研究以P3HT：PCBM为活性层的薄膜太阳能电池的光学性能。 在此基础上,提出采用镀多层高反射膜的方法改善电池器件的光学性能。结果表明：活性层厚度对电池器件的光吸收起到主导作用;镀多层高反射膜在活性层厚度小于160 nm、Ag厚度小于20 nm时能大幅度改善电池器件的光学性能,光生激子总数随活性层厚度的增加而迅速增多,并且在活性层厚度约为150 nm时为一个最佳值。     

钙钛矿太阳能电池近期进展

近几年来,基于有机无机金属卤化物钙钛矿(ABX_3)的太阳能电池由于其独特的物理化学性质受到了广泛的关注.这种钙钛矿材料具有很高的消光系数、较强的电荷传递能力、长的载流子寿命、长的载流子扩散距离以及特殊的双极性,同时低成本易制作.自2009年至今,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从最初的3.8%增长到了20.8%,使之成为最有可能在未来代替传统单晶硅太阳能电池的新型太阳能电池.同时,由于钙钛矿具有双极性,故钙钛矿太阳能电池的结构也有多种,最常见的结构有介孔结构、平面结构、介观超结构、无空穴传输层结构等.本文主要介绍钙钛矿太阳能电池的发展、电池结构及其对光电池性能的影响、钙钛矿薄膜的制备方法,同时探讨了钙钛矿在电子传输层上的吸附模型和电荷在电池界面中的传输机理以及界面工程,并介绍该类型电池在近期所获得的突破及未来可能的发展方向,以便对钙钛矿太阳能电池有进一步的了解.     

电子辐照下GaAs/Ge太阳电池载流子输运机理研究

通过地面模拟辐照试验获得不同能量电子辐照下GaAs/Ge太阳电池电学参数退化的基本规律, 在此基础上使用PC1 D模拟程序分析太阳电池内部的载流子输运机理, 建立不同能量的电子辐照下GaAs/Ge太阳电池中多数载流子浓度和少数载流子扩散长度随辐照粒子注量变化的基本规律. 研究结果表明: 多数载流子浓度和少数载流子扩散长度均随入射电子注量的增大而减小, 多数载流子去除率和少数载流子扩散长度损伤系数均随电子能量的增高而增大, 多数载流子去除效应和少数载流子扩散长度缩短分别是电池开路电压和短路电流退化的主要原因.     

典型有机发光二极管中载流子传输和复合模型

提高载流子复合效率是改善有机发光二极管(OLEDs)发光效率的重要方法。采用真空热蒸发成膜法制作了典型双层结构的OLEDs(ITO/TPD/Alq₃/Al)。二极管的性能测试结果表明器件的电流-电压关系与Fow ler-Nordheim场发射载流子注入理论符合得较好。以Fow ler-Nordheim场发射载流子的隧穿注入理论为基础,对OLEDs的电流进行理论分析和数学推导,建立典型双层结构有机发光二极管中载流子传输、复合的理论模型。以此模型为依据,对载流子注入复合进行理论分析,探究载流子注入复合的效率的表达式。在外加电压和器件材料一定下,得出了载流子复合效率与阳极区一侧积累的空穴面密度和阴极区一侧积累的电子面密度的关系表达式。     

Effect of Ultraviolet Light on Hybrid Zinc Oxide Polymer Bulk Heterojunction Solar Cells

Compared to conjugated polymer poly[2-methoxy-5-（3＇ ,7＇-dimethyloctyloxy）-l,4-phenylenevinylene] （MDMO-PPV） solar cells, bulk heterojunction solar cells composed of zinc oxide （ZnO） nanocrystals and MDMO-PPV have a better energy conversion efficiency. However, ultraviolet （UV） light deteriorates the performance of solar cells composed of ZnO and MDMO-PPV. We propose a model to explain the effect of UV illumination on these ZnO：MDMO-PPV solar cells. According to this model, the degradation from UV illumination is due to a decrease of exciton dissociation efficiency. Our model is based on the experimentM results such as the measurements of current density versus voltage, photoluminescence, and photocurrent.     

Analysis of each branch current of serial solar cells by using an equivalent circuit model

In this paper,based on the equivalent single diode circuit model of the solar cell,an equivalent circuit diagram for two serial solar cells is drawn.Its equations of current and voltage are derived from Kirchhoff’s current and voltage law.First,parameters are obtained from the I–V(current–voltage)curves for typical monocrystalline silicon solar cells(125 mm×125 mm).Then,by regarding photo-generated current,shunt resistance,serial resistance of the first solar cell,and resistance load as the variables.The properties of shunt currents(Ish1and Ish2),diode currents(ID1and ID2),and load current(IL)for the whole two serial solar cells are numerically analyzed in these four cases for the first time,and the corresponding physical explanations are made.We find that these parameters have different influences on the internal currents of solar cells.Our results will provide a reference for developing higher efficiency solar cell module and contribute to the better understanding of the reason of efficiency loss of solar cell module.     

层层自组装金纳米粒子表面等离子体引发光电流应用于等离子体增感太阳能电池

等离子体增感太阳能电池中,层层自组装金纳米粒子的表面等离子体共振能产生光电电流,金纳米粒子层的光电转换效率随表面等离子体共振强度的提升而增加。等离子体增感太阳能电池初步试验光电转换效能为0.75%。利用模型仿真电荷分离的现象、光电电流的产生,以及表面等离子体共振和光电电流产生之间的关系来解释实验结果。在未来,通过优化等离子体增感太阳能电池组件,可以进一步提升其转换效率。这在表面等离子体激活太阳能电池及等离子体太阳能电池领域将有很大应用潜力。     

Hexagonal boron phosphide and boron arsenide van der Waals heterostructure as high-efficiency solar cell

The rapid development of two-dimensional (2D) materials offers new opportunities for 2D ultra-thin excitonic solar cells (XSCs). The construction of van der Waals heterostructure (vdWH) is a recognised and effective method of integrating the properties of single-layer 2D materials, creating particularly superior performance. Here, the prospects of h-BP/h-BAs vdW heterostructures in 2D excitonic solar cells are assessed. We systematically investigate the electronic properties and optical properties of heterogeneous structures by using the density functional theory (DFT) and first-principles calculations. The results indicate that the heterogeneous structure has good optoelectronic properties, such as a suitable direct bandgap and excellent optical absorption properties. The calculation of the phonon spectrum also confirms the well-defined kinetic stability of the heterstructure. We design the heterogeneous structure as a model for solar cells, and calculate its solar cell power conversion efficiency which reaches up to 16.51% and is higher than the highest efficiency reported in organic solar cells (11.7%). Our work illustrates the potential of h-BP/h-BAs heterostructure as a candidate for high-efficiency 2D excitonic solar cells.     

Field-enhanced charge flow in nanorod heterostructure solar cells

Recent studies on organic heterostructure solar cells have indicated that interface morphology plays an important role in determining the quantum efficiency. Hybrid heterostructure mixing donor and acceptor semiconductors appear to offer the best opportunity in achieving superior performance and there are indications that a network of percolated heterojunctions can be quite effective in promoting light absorption and exciton quenching. Charge transport and collection efficiency, however, appear to be more complex in the bulk heterostructure and the nature of charge flow depends largely on the type of current paths in existence. We report in this work the possible existence of field-assisted charge flow in the nanorod heterostructure solar cells when carriers of different polarity move in close proximity. The field-effect associated with the charge density gradients can exert a force on the nearby carriers resulting in an increase in the short-circuit current. The model is used to explain data reported in the literature on solar cells composed of TiO₂ nanorods embedded in a conjugated polymer.     

钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池:光学模拟的研究进展

近几年,钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池发展迅速,效率已经从13.7%提升到29.1%.由于叠层电池器件的制作工艺复杂,而叠层太阳电池中的光学损失对转换效率的影响很大,所以通过光学模拟进而获得高效电池至关重要.本文首先从商业软件和自建模型两方面概述了光学模拟的方法,接着从反射损失和寄生吸收两方面针对光学模拟研究进展进行了总结和分析,最后指出了叠层电池光学模拟过程中需要注意的问题.钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的转换效率极限最高可达40%,具备很大的提升空间,结合模拟工作的研究,叠层电池的发展将会取得更大的进步.     

太阳能光伏-温差发电驱动的新型冰箱模型设计与热力学分析

结合太阳能电池温度特性和温差发电特点,设计了一套新的太阳能光伏发电-温差发电驱动的冰箱模型,该模型包括太阳能光伏电池、半导体温差发电模块、电源控制系统等.根据负载用电需求,做出了光伏发电系统的设计方案.采用热力学基本理论,对该模型进行了工作效率及 火 用 效率的分析.结果发现:能效比COP达到了2.73(一般 冰箱COP为2左右), 火 用 效率也达到42.5%.同时,该系统模型环境效益明显,可以减排CO₂ 1394.2 kg,SO₂     

Compositional investigation of potassium doped Cu(In,Ga)Se2 solar cells with efficiencies up to 20.8%

We report on the interaction between intentional potassium doping of thin film Cu(In,Ga)Se₂ (CIGS) solar cells, CIGS absorber composition, and device efficiency. Up to now high efficiency CIGS solar cells could not be produced with a gallium/(gallium + indium) ratio higher than 35%. The new doping process step does not only increase solar cell conversion efficiencies up to 20.8%, but also allows a shift in the CIGS absorber composition towards higher gallium content whilst maintaining this high efficiencies level. We find that the saturation of the open circuit voltages for higher gallium content that is normally observed can partially be overcome by the new doping procedure. This observation leads us to the conclusion that even on this high performance level CIGS solar cells still hold a potential for further development beyond the record values reported here. (© 2014 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

菲涅尔透镜聚光对光伏发电效率的实验研究

介绍了将菲涅尔透镜前置于太阳能电池板适当位置以提高转换效率的实验研究。通过测试单晶硅、多晶硅电池单元加聚焦透镜前、后,以及改变不同入射角度照射单晶硅、多晶硅电池单元对输出伏安特性的影响,得出增加透镜聚光可以有效提升太阳能的转换效率,同时需要保证光源垂直入射。     

有机体异质结太阳能电池的数值分析

介绍了一种有机体异质结太阳能电池的数值模拟方法,模型使用Onsager提出的成对复合理论,并结合了完善的无机半导体理论而提出来的,其结果与实验结果符合较好,证明了模型的正确性.在此基础上分析了器件的内建电场与工作温度对器件性能的影响,以及影响器件光电流的主要因素. 关键词： 有机太阳能电池 体异质结 数值分析