NaYF_4:Er~(3+)(2%),Yb~(3+)(18%)上转换纳米粒子及其在聚合物太阳能电池中的应用

【摘要】：聚合物太阳能电池以其低成本、轻便、制备工艺简单、可实现柔性及适宜大面积生产等优点而被看作是最有前景的光伏器件。本论文概括总结了聚合物太阳能电池，特别是体异质结型太阳能电池的研究情况以及影响聚合物太阳能电池性能的因素。 NaYF4:Er3+(2%), Yb3+(18%)可以将近红外光上转换为可见光，由于其独特的光学特性，近年来被广泛应用于太阳能电池领域。论文在P3HT:PCBM聚合物太阳能电池研究的基础之上，将上转换材料NaYF4:Er3+(2%), Yb3+(18%)引入电池结构中。P3HT可以有效吸收上转换材料的荧光，从而改善了P3HT:PCBM聚合物太阳能电池中太阳光光谱响应范围窄的情况。但由于实际的上转换效率较低，上转换-聚合物太阳能电池目前仍存在争议，NaYF4:Er3+(2%), Yb3+(18%)对聚合物电池性能的影响机制还有待进一步研究。 我们分别合成了20nm油溶性和70nm水溶性的NaYF4:Er3+(2%), Yb3+(18%)纳米粒子，并将其掺入到PEDOT:PSS太阳能电池的空穴传输层中。实验中，掺入粒径70nm纳米粒子的器件表现出最优性能，其短路电流比未掺杂上转换纳米粒子的聚合物电池的高出9.9%，能量转换效率高出8.2%，而掺入20nm纳米粒子的器件其电流比未掺器件高出8.9%，同时能量转换效率高出6.5%。研究结果表明，NaYF4:Er3+(2%), Yb3+(18%)的光致发光对器件的性能并没有起到明显改善作用，上转换纳米粒子的溶剂、粒子对入射光的散射及其对PEDOT:PSS表面粗糙度和导电性的改变才是影响器件性能的主因。掺入70nm粒子器件之所以有最优的性能主要归因于纳米粒子较大的散射半径、PEDOT:PSS膜层表面粗糙度的增大，同时还有乙醇作为上转换纳米粒子的溶剂对PEDOT:PSS导电性的负面影响的降低。 【关键词】：NaYF4:Er3+ Yb3+ 上转换 P3HT:PCBM 聚合物太阳能电池
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-6
• 目录6-8
• 第一章 绪论8-25
• 1.1 引言8-9
• 1.2 太阳能电池简介9-13
• 1.2.1 太阳能电池定义9
• 1.2.2 太阳能电池的分类9-10
• 1.2.3 太阳能电池等效工作电路10
• 1.2.4 太阳能电池伏安（J-V）特性曲线及相关性能参数10-13
• 1.3 有机太阳能电池的工作原理13-14
• 1.4 有机太阳能电池常用材料14-17
• 1.4.1 小分子材料15-16
• 1.4.2 聚合物材料16
• 1.4.3 电极材料16
• 1.4.4 电极修饰层材料16-17
• 1.5 有机太阳能的结构17-20
• 1.5.1 单层结构17-18
• 1.5.2 双层结构18-19
• 1.5.3 混合异质结结构19-20
• 1.5.4 分子 D-A 结结构20
• 1.6 聚合物电池发展现状及制约效率因素20-25
• 1.6.1 聚合物太阳能电池近期发展21-23
• 1.6.2 影响聚合物太阳能电池效率的因素23-25
• 第二章 稀土上转换发光材料25-37
• 2.1 上转换材料简介25
• 2.2 上转换发光机制25-27
• 2.3 稀土粒子掺杂上转换的材料选择27
• 2.4 Yb~(3+)/Er~(3+)掺杂的上转换材料27-29
• 2.5 上转换材料制备方法29-30
• 2.5.1 高温固相法29
• 2.5.2 溶胶-凝胶法29
• 2.5.3 沉淀法29-30
• 2.5.4 水热法30
• 2.6 上转换材料表征手段30-31
• 2.6.1 X 射线衍射谱30
• 2.6.2 扫描电子显微镜30
• 2.6.3 透射电子显微镜30-31
• 2.6.4 紫外-可见-近红外分光光度计31
• 2.6.5 荧光分光光度计31
• 2.7 稀土上转换在太阳能电池中的应用31-36
• 2.7.1 稀土上转换材料在无机太阳能电池中的应用32-33
• 2.7.2 稀土上转换材料在染料敏化太阳能电池中的应用33-34
• 2.7.3 稀土上转换材料在聚合物太阳能电池中的应用34-36
• 2.8 本文工作36-37
• 第三章 NaYF_4:Er~(3+)(2%),Yb~(3+)(18%)纳米粒子的合成37-43
• 3.1 油溶性 NaYF_4:Er~(3+)(2%),Yb~(3+)(18%)纳米粒子的合成37-40
• 3.1.1 以稀土氟化物为原料的 NaYF_4:Er~(3+)(2%),Yb~(3+)(18%)纳米粒子37-39
• 3.1.2 以稀土氯化物为原料的 NaYF_4:Er~(3+)(2%),Yb~(3+)(18%)纳米粒子39-40
• 3.2 水溶性 NaYF_4:Er~(3+)(2%),Yb~(3+)(18%)纳米粒子的合成40-41
• 3.3 油溶性和水溶性 NaYF_4:Er~(3+)(2%),Yb~(3+)(18%)的荧光光谱41-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第四章 聚合物太阳能电池基础器件制备工艺探索43-50
• 4.1 器件制备关键工艺44-45
• 4.1.1 旋涂成膜法和真空蒸镀法44
• 4.1.2 紫外-臭氧（UV-O3）处理44
• 4.1.3 膜层的退火处理44-45
• 4.2 基础器件制备流程45-47
• 4.2.1 基片的清洗45-46
• 4.2.2 活性层溶液的配备46
• 4.2.3 阳极修饰层的旋涂46
• 4.2.4 有机活性层的旋涂46
• 4.2.5 阴极的蒸镀46-47
• 4.3 测试方法47
• 4.4 UV-O3处理对器件性能影响47-48
• 4.5 活性层溶剂退火对器件性能影响48-49
• 4.6 本章小结49-50
• 第五章 上转换—聚合物太阳能电池50-67
• 5.1 上转换—聚合物太阳能电池构思50-52
• 5.1.1 研究目的50
• 5.1.2 器件结构设计50-52
• 5.2 油溶性 UC NPs20掺杂的聚合物太阳能电池52-54
• 5.2.1 油溶性 UC NPs20掺杂的聚合物太阳能电池的制备52
• 5.2.2 J-V 特性曲线及特征参数52-54
• 5.2.3 PEDOT:PSS 膜层 SEM 图54
• 5.3 增强 PEDOT:PSS 导电性的方法54-58
• 5.3.1 掺杂有机溶剂的 PEDOT:PSS 在有机太阳能电池中的应用举例55-56
• 5.3.2 掺杂乙醇的 PEDOT:PSS 在聚合物太阳能电池中的应用研究56-58
• 5.4 水溶性 UC NPs70掺杂的聚合物太阳能电池58-59
• 5.4.1 水溶性 UC NPs70掺杂的聚合物太阳能电池制备58
• 5.4.2 J-V 曲线及特征参数58-59
• 5.5 影响上转换-聚合物太阳能电池性能的关键因素探索59-65
• 5.5.1 NaYF_4:Er~(3+)(2%),Yb~(3+)(18%)光致发光对器件性能的影响60-63
• 5.5.2 NaYF_4:Er~(3+)(2%),Yb~(3+)(18%)的散射作用对器件性能影响因素探究63-64
• 5.5.3 膜层表面粗糙度64-65
• 5.6 本章小结65-67
• 总结与展望67-69
• 参考文献69-75
• 攻读硕士学位期间撰写的论文75-76
• 致谢76

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