利用三维银纳米结构提高有机太阳能电池性能的研究

【摘要】：有机太阳能电池因其廉价、易于大面积制备等优点受到广泛关注,但是有机材料的的吸收系数较低,且激子扩散能力有限,限制了光电转化效率的提高。金属纳米结构产生的表面等离子体增强效应可以解决这一问题。本文的研究工作主要是将三维银纳米片应用到电池中,通过银纳米片的表面等离子体效应增强器件对光的吸收率,进而提高器件的短路电流密度。本文的研究工作主要有以下三个方面的内容： (1)通过银镜反应制备得到了三维的银纳米片。研究了不同的种子层对银纳米片形貌、密度的影响。研究发现种子层的粗糙度、密度及与银的晶格匹配度是影响产物形貌、密度的关键因素。低粗糙度、高密度、高晶格匹配度的种子层能够诱导得到高密度、结晶良好、形状规整的银纳米片。以金为种子层,得到了厚度为20nm,高度为100nm的三维银纳米片阵列。 (2)将在ITO上生长的银纳米片结构应用到有机太阳能电池中。器件结构是：ITO/AgNSs/PEDOT:PSS/P3HT:PC61BM/LiF/Al.优化密度后的器件开路电压为0.60V,短路电流密度为11.16mA/cm2,填充因子为53.69%,能量转换效率3.60%。该转换效率是经典器件的1.29倍。器件效率提高的原因是三维银纳米片产生了强的表面等离子体效应,增强了活性层对光的吸收,进而增加了激子的产生和分离。 (3)研究了不同厚度的金种子层生长银纳米片阵列对器件性能的影响,其结构为ITO/Au(/AgNSs)/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al。在ITO上镀金后,器件的性能与经典器件相比几乎不变,这说明金并没有阻碍活性层对光的吸收。在金种子层上生长银纳米片的器件的短路电流密度和转换效率明显提高。其中0.6nm的金种子层上生长半小时银纳米片的器件的转换效率最高,达到2.29%,是经典器件的1.37倍。这说明三维银纳米片阵列增强了活性层对光的吸收和利用。 【关键词】：银纳米片 种子层 表面等离子体效应 能量转换效率 有机太阳能电池
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-7
• 目录7-9
• 第一章 绪论9-20
• 1.1 引言9-10
• 1.2 等离子体效应在光伏器件中的应用10-11
• 1.3 在薄膜电池中等离子体捕获光的模式11-15
• 1.3.1 通过等离子体增强光散射11-12
• 1.3.2 通过等离子体使光聚集12-13
• 1.3.3 使用等离子体模式捕获光13-15
• 1.4 等离子体效应对减少光伏成本的意义15-16
• 1.5 新型等离子体太阳能电池的设计16-17
• 1.6 大面积制备等离子体太阳能电池结构17-18
• 1.7 本章小结18
• 1.8 本文的主要内容及创新之处18-20
• 第二章 实验原料与实验设备20-23
• 2.1 实验原料20
• 2.2 实验设备20-23
• 第三章 不同种子层的银纳米片的制备23-32
• 3.1 引言23-24
• 3.2 银纳米片的合成24-25
• 3.3 实验结果与讨论25-31
• 3.3.1 SEM分析25-27
• 3.3.2 TEM分析27-28
• 3.3.3 XRD分析28-29
• 3.3.4 AFM分析29-30
• 3.3.5 表面润湿性30-31
• 3.4 本章小结31-32
• 第四章 三维银纳米片对有机太阳能电池性能的影响32-47
• 4.1 引言32-33
• 4.2 实验部分33-34
• 4.2.1 有机太阳能电池的制备33-34
• 4.3 银纳米片的形貌及其对器件性能的影响34-45
• 4.3.1 银纳米片的形貌34-35
• 4.3.2 银纳米片的等离子共振吸收峰35
• 4.3.3 银纳米片对活性层形貌的影响35-36
• 4.3.4 银纳米片对活性层吸收峰的影响36-37
• 4.3.5 银纳米片对太阳能电池IPCE光谱的影响37-38
• 4.3.6 银纳米片对太阳能电池的PL光谱的影响38-39
• 4.3.7 银纳米片对太阳能电池的光伏特性的影响39-42
• 4.3.8 银纳米片对太阳能电池的二极管特性的影响42-43
• 4.3.9 PEDOT：PSS对器件性能的影响43-45
• 4.4 本章小结45-47
• 第五章 三维银纳米片阵列结构对有机太阳能电池性能的影响47-53
• 5.1 实验部分47-48
• 5.1.1 电池制备过程47-48
• 5.2 金基底对电池性能的影响48-50
• 5.2.1 不同厚度的金的紫外-可见吸收光谱48
• 5.2.2 不同厚度的金的透过光谱48-49
• 5.2.3 不同厚度的金对电池性能的影响49-50
• 5.3 金基底上生长银纳米片及其对电池性能的影响50-52
• 5.3.1 不同厚度的金上外延生长银纳米的器件的性能50-52
• 5.4 本章小结52-53
• 第六章 全文总结及展望53-55
• 6.1 全文总结53
• 6.2 今后工作展望53-55
• 参考文献55-59
• 发表论文和科研情况说明59-60
• 致谢60

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