等离子体有机太阳能电池的多物理建模研究

Energy consumption plays a key role in human existence and global economics development. Solar cell or photovoltaics technology is one of the most efficient tools in replacing fossil fuels (nonrenewable source of energy), such as coal, natural gas, and oil. The project aims at solving Maxwell's equations and organic semiconductor equations (Poisson equation, current continuity equation, and drift-diffusion equation) self-consistently by using fast, efficient, and unified finite-difference framework. We will apply the multiphysics model to 2D/3D arbitrary-shaped complex plasmonic organic solar cells. We will also design new device configurations through deep physical understanding of the interplay between electrons and photons. The project will offer theoretical foundations and engineering supports for high-performance organic solar cells. Moreover, it will promote the technology revolution and market predominance for Chinese photovoltaics industry.

能源问题是决定人类自身发展和世界各国经济发展的重大问题。基于太阳能的光伏发电技术，是替代煤、天然气、石油等非可再生资源的最为有效的手段之一。本课题将麦克斯韦方程和有机半导体方程（泊松方程、电流连续性方程、漂移-扩散方程）耦合求解，发展精确、快速、高效和统一的有限差分框架，应用于任意二维和三维复杂结构"等离子体有机太阳能电池"的多物理建模，从而发现其深入的光电作用机理，并设计和优化新型的器件结构。该课题可为高性能有机光电池的发展奠定理论基础和工程支持，从而推动中国在光伏发电新能源领域的技术革新和市场优势。

能源问题是决定人类自身发展和世界各国经济发展的重大问题。基于太阳能的光伏发电技术，是替代煤、天然气、石油等非可再生资源的最为有效的手段之一。该项目的主要研究内容分为三个方面：（1）用一致的有限差分技术及多波前快速算法，求解了麦克斯韦方程和半导体方程（泊松、漂移扩散、电流连续性、激子分离扩散），系统建立了有机太阳能电池的多物理场模型。（2）研究了具有代表性的周期光栅陷光结构和纳米颗粒聚光结构太阳能电池，分析了等离子体效应对上述两种典型器件光电属性的影响及其相互作用的物理机制。（3）提出了“等离子体-电”效应的全新概念，采用调控活性层电磁场分布的方法来控制载流子的传输和复合。配合实验，设计了新型的器件，证明了理论模型和设计准则的有效性。通过3年的研究，我们发现：设计等离子体光电池，不能仅仅考虑光吸收的增强，而应该考虑金属对器件活性层静电场分布的改变和光场分布不同对载流子传输和复合的影响。高效能器件的设计应尽量保证活性层静电场分布均匀，并控制光场分布让电子和空穴的漂移时间尽量平衡（低迁移率的载流子传输更短的距离）。另外，对于有机等离子体太阳能电池的多物理建模，必须将5个国际单位重新定义。空间网格尺寸约为2纳米以保证精度和收敛；时间方向可采用半隐式算法，稳定度比全显式算法明显增大，计算速度比全隐式算法大大节省。我们对等离子体有机太阳能模型的建立、物理机制的挖掘及原型器件的设计验证，对高性能、低成本、环境友好的有机薄膜光电池具有重要的理论指导和工程参考意义。因此，该项目将推动中国在光伏发电领域的技术革新和市场优势。