【正文】 機(jī)活性層。有機(jī)半導(dǎo)體材料成膜對晶格匹配的不嚴(yán)格要求讓它們的材料選擇更廣。由于器件給體HOMO和受體LUMO之間存在能級差，使有機(jī)活性層中產(chǎn)生光生激子在給受體界面分解變成電荷極化子。目前，有機(jī)聚合物太陽能電池最高效率已經(jīng)超過8%[29]，稍高于有機(jī)小分子太陽能電池的效率。但是由于非晶硅光吸收系數(shù)較高，且非晶硅電池能夠在低溫下制備，使得它在制作成本上更具有競爭優(yōu)勢。目前，人們通過各種手段來提高光伏器件（主要是太陽能電池）的能量轉(zhuǎn)化效率，同時降低光伏器件制作成本以使之與化石燃料的發(fā)電成本(＄/W)相比仍有競爭力。 有機(jī)光伏理論本節(jié)將介紹有機(jī)光伏器件研究的基本理論，主要包括微觀層面的作用機(jī)制和宏觀層面的物理模型和物理表達(dá)。rster能量傳遞和Dexter能量傳遞示意圖Dexter能量傳遞：其與F246。結(jié)合式()和()可知，給體量子效率越大，受體吸收系數(shù)越大，且給受體的發(fā)射吸收光譜重疊越大，R0的值也就越大，通常體系中R0值一般為3~10 nm之間。當(dāng)給能量受體的壽命大于H/J（其中H是普朗克常數(shù)h除以π，J是給受體相互作用強(qiáng)度)時，能量就可能在給受體之間發(fā)生共激振蕩。F246。rster能量傳遞和Dexter能量傳遞[26,27]。有機(jī)半導(dǎo)體材料中經(jīng)常會出現(xiàn)Frenkel激子和電荷轉(zhuǎn)移激子之間的相互轉(zhuǎn)變，這也為異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)有機(jī)光伏器件提供了理論基礎(chǔ)。在固體材料中激子通常分為三種，分別為Frenkel激子、電荷轉(zhuǎn)移（charge transfer，CT）激子和WannierMott激子（）。PooleFrenkel模型把有機(jī)半導(dǎo)體遷移率的電場依賴特性歸因于外電場導(dǎo)致的載流子激活能的降低()。綜上所述，電子就是這樣在有機(jī)分子間通過不斷跳躍傳遞實(shí)現(xiàn)電荷傳輸，其跳躍傳輸?shù)乃俾室蕾囉趦煞肿娱g的距離及能量差[21]，在施加外場的情況下這種跳躍傳輸則形成定向電流。但電荷不是以帶電分子的形式傳輸?shù)?，由于該有機(jī)分子帶電，會使其周圍的晶體場、電荷分布等發(fā)生一系列畸變，當(dāng)該帶電分子移動時，其周圍的畸變也會跟著一起移動。 相鄰兩原子形成的σ、π分子軌道及相應(yīng)的σ*、π*反鍵分子軌道 有機(jī)半導(dǎo)體中載流子的傳輸在有機(jī)光電器件中有機(jī)半導(dǎo)體薄膜多是以無定形或多晶形式存在，其分子內(nèi)部以穩(wěn)定的共價鍵相結(jié)合，分子間則以弱的Van der Waals力相結(jié)合，部分情況下也會有氫鍵作用。p軌道之間“肩并肩”的相互作用形成的是π鍵，其有一個包含鍵軸的節(jié)平面，因此π鍵是關(guān)于節(jié)平面反對稱的。球形的s軌道和啞鈴形的p軌道組合形成不對稱啞鈴形的spn軌道，但它保留了p軌道的圓柱對稱性。而被電子完全占據(jù)的2s軌道可以與一個或多個2p軌道雜化，形成四個被價電子占據(jù)的軌道。有機(jī)半導(dǎo)體材料的較低電導(dǎo)率不僅會增加器件的串聯(lián)電阻，同時也使得載流子在電極/有機(jī)界面不能有效注入，最終限制了器件的性能。有機(jī)材料和相應(yīng)襯底（如玻璃、塑料）較低的折射率也使得入射光在光電器件中能夠高效耦合。有機(jī)半導(dǎo)體的另一大優(yōu)點(diǎn)在于能通過化學(xué)結(jié)構(gòu)上的修飾調(diào)節(jié)光學(xué)及電學(xué)性質(zhì)以滿足相應(yīng)器件的要求。無機(jī)半導(dǎo)體光電器件的性能與半導(dǎo)體中的缺陷密度密切相關(guān)，而由于原子間是共價結(jié)合的，也使得高質(zhì)量無機(jī)半導(dǎo)體薄膜的制備離不開晶格匹配的襯底和高溫生長條件。除了有些材料由于合成產(chǎn)率低或提純困難導(dǎo)致成本較高外，多數(shù)有機(jī)半導(dǎo)體的成本很低。這一節(jié)將詳細(xì)介紹有機(jī)半導(dǎo)體材料及其性質(zhì)。在有機(jī)小分子太陽能電池CuPc/C60和TiOPc/C60的陽極ITO表面分別制備了一層Ag納米顆粒，并采用MoO3作為陽極緩沖層，最后使兩器件的能量轉(zhuǎn)化效率均得到提高。雖然目前與相應(yīng)的無機(jī)太陽能電池相比其性能還有差距，但隨著研究工作的進(jìn)一步深入，有機(jī)太陽能電池的的效率和壽命必然會不斷提高。 (a)Xue制備的將兩混合平面體異質(zhì)結(jié)電池串聯(lián)的疊層有機(jī)太陽能電池結(jié)構(gòu)和通過計算得到 (b)在最優(yōu)疊層器件中450 nm和650 nm光的光場強(qiáng)度分布和 (c)前后子電池的外量子效率2007年，Heeger組的Kim等人用TiOx作中間連接層，將兩個聚合物子電池串聯(lián)制成有機(jī)聚合物疊層電池，首次獲得超過6%的能量轉(zhuǎn)化效率[11]。在AM ，%，這是在當(dāng)時能量轉(zhuǎn)換效率最高的有機(jī)小分子太陽能電池[8]。1992年，Heeger實(shí)驗(yàn)室的Sariciftci等人發(fā)現(xiàn)，共軛聚合物材料作為電子給體和C60作為電子受體的體系，在光誘導(dǎo)下可以發(fā)生快速電荷轉(zhuǎn)移，并且該過程的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其逆向過程[6]。這是有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域的里程碑式事件，有機(jī)太陽能電池的研究由此進(jìn)入快速蓬勃發(fā)展的階段，而電子給體、受體概念及雙層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)也成為之后有機(jī)光伏器件研究的基礎(chǔ)。有機(jī)太陽能電池的以上諸多優(yōu)點(diǎn)使人們看到了有機(jī)太陽能電池發(fā)展的美好前景，然而與無機(jī)太陽能電池相比其較低的能量轉(zhuǎn)化效率和較差的器件壽命制約了有機(jī)太陽能電池商業(yè)化應(yīng)用的進(jìn)程。自從1954年美國Bell實(shí)驗(yàn)室的Chapin等人制備了第一塊轉(zhuǎn)化效率在6%左右的單晶硅太陽能電池以來[1]，通過引入新的材料和器件結(jié)構(gòu)，無機(jī)太陽能電池的效率和壽命不斷提高[2]，并已實(shí)現(xiàn)部分商品化應(yīng)用。核能作為替代化石燃料的新型能源曾被寄予厚望，然而1979年三里島和 1986 年切爾諾貝利核電站發(fā)生的核輻射爆炸事故，加之2011年3月日本東北地方太平洋近海地震引起的福島核泄露危機(jī)，引發(fā)了全世界人民對核能源安全問題的普遍擔(dān)憂，從而也限制了核能進(jìn)一步的廣泛應(yīng)用。 SnCl2PcV目 錄目 錄摘 要 IAbstract II目 錄 IV第一章 緒論 1 研究背景及意義 1 有機(jī)太陽能電池的發(fā)展歷程 2 本論文的主要研究內(nèi)容 8第二章 有機(jī)光伏研究的基礎(chǔ)理論知識 9 有機(jī)半導(dǎo)體材料 9 有機(jī)半導(dǎo)體材料的分類 9 有機(jī)半導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)特性 10 有機(jī)半導(dǎo)體的分子軌道 11 有機(jī)半導(dǎo)體中載流子的傳輸 13 激子的分類 15 激子的傳輸 16 有機(jī)光伏理論 18 有機(jī)光伏的基本知識 19 有機(jī)光伏器件的常見結(jié)構(gòu) 22 有機(jī)光伏的微觀物理機(jī)制 24 有機(jī)光伏的宏觀物理表達(dá)和物理模型 26第三章 銀納米顆粒對有機(jī)小分子太陽能電池性能改善的研究 31 引言 31 實(shí)驗(yàn)材料和方法 32 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 33 本章小結(jié) 38第四章 Bphen/SnCl2Pc復(fù)合激子阻擋層對有機(jī)光伏器件性能改善的研究 39 引言 39 實(shí)驗(yàn)材料和方法 40 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 41 SnCl2Pc激子阻擋層 42 Bphen/SnCl2Pc EBL對器件效率的改善 45 Bphen/SnCl2Pc EBL對器件壽命的改善 47 本章小結(jié) 47第五章 結(jié)論與展望 49 全文總結(jié) 49 研究展望 50參考文獻(xiàn) 51在學(xué)期間學(xué)術(shù)成果情況 56指導(dǎo)教師及作者簡介 57致 謝 58第一章 緒論第一章 緒論 研究背景及意義進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全球能源需求急劇增長。關(guān)鍵詞：有機(jī)光伏；金屬等離子體激元；MoO3；激子阻擋層；SnCl2PcIAbstractDesign and research on small molecular weight organic photovoltaic devicesTaojun Zhuang（Condensed Matter Physics）Directed by Prof. Bei ChuAbstractOrganic photovoltaic (OPV) devices have gained considerable attention recently due to their potential as lowcost and flexible renewable energy conversion devices. In this thesis, we study the structure and physical mechanism of small molecular weight organic photovoltaic devices for improving their efficiency and lifetime.Enhanced performance of small molecular weight organic solar cells based on CuPc/C60 and TiOPc/C60 with Ag nanoparticles fabricated on the ITO anode and MoO3 as the anode buffer layer has been demonstrated. Surface plasmon induced by the incorporation of Ag nanoparticles results in the increased absorption efficiency and photogenerated exciton dissociation probability of the photoactive layers. Meanwhile, the quenching of the photogenerated excitons at the organic/metal interface can be successfully restricted by the MoO3 anode buffer layer. Consequently, the shortcircuit current is improved while the other parameters maintain unaffected, which leads to enhanced power conversion efficiency of the devices. We demonstrate that the improvement of both efficiency and lifetime of organic photovoltaic devices by employing thin Bphen and thick SnCl2Pc as the pound exciton blocking layer (EBL), where Bphen and SnCl2Pc acts as the photogenerated exciton blocking layer and optical spacer, respectively. A thicker SnCl2Pc layer can be adopted due to its high electron mobility and aligned lowest unoccupied molecular orbital with the acceptor. The OPV device with such a pound EBL leads to an increase by 27% in power conversion efficiency pared to the device with a traditional bathocuproine EBL. Moreover, the lifetime is also improved due to the superior oxygen and moisture diffusion blocking effect of the thick SnCl2Pc layer.Key words: organic photovoltaic。通過引入一種薄Bphen層和厚SnCl2Pc層組成的復(fù)合激子阻擋層，使得有機(jī)光伏器件的效率和壽命均得到提高，其中的Bphen層和SnCl2Pc層分別起到阻擋光生激子和調(diào)節(jié)光場的作用。本論文對有機(jī)小分子光伏器件結(jié)構(gòu)設(shè)計和物理過程進(jìn)行了研究，目的就在于改善有機(jī)光伏器件的效率和穩(wěn)定性。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。（保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書）學(xué)位論文作者簽名：　　　　　 指導(dǎo)教師簽名：　　　　　　日　 　期：　　　　 日　　　　期：　　　　　學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向：工作單位： 電話： 通訊地址： 郵編： 摘 要學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。對本人的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中作了明確的說明。據(jù)我所知，除了特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。本人授權(quán)中國科學(xué)院研究生院及中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存、匯編本學(xué)位論文。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日有機(jī)小分子光伏器件設(shè)計與研究摘 要 有機(jī)光伏器件由于具有成為低成本、柔性的可再生能量轉(zhuǎn)換裝置的潛力，近些年來受到人們的廣泛關(guān)注。最終在保持器件其它性能不變的情況下提高了短路電流，進(jìn)而使器件的能量轉(zhuǎn)化效率得到改善。同時，由于復(fù)合君子阻擋層中的厚SnCl2Pc層能有效的阻止水、氧氣擴(kuò)散進(jìn)入器件，使得有機(jī)光伏器件的壽命也得到了改善。 exciton blocking layer。因此，人們迫切需要找到一種能替代化石燃料的綠色無污染可再生能源來