基于金属纳米颗粒调控的表面等离子增强有机太阳能电池研究

【摘要】：由于聚合物太阳能电池具有制作成本低、制备工艺简单且可以大面积成膜制备等优点近年来受到越来越多的关注。虽然，目前报道的聚合物电池的效率已经超过10%，但是，与无机太阳能电池相比，效率仍旧很低。限制聚合物太阳能电池效率的一个主要因素是活性层材料不能有效地对光进行吸收和利用。如何增强聚合物太阳能电池的光吸收已受到该研究领域越来越广泛的关注。本文结合当前研究进展以及实验室条件，通过引入金属纳米颗粒的表面等离子效应，在不增加活性层厚度的情况下来实现聚合物太阳能电池的光吸收增强。研究表明明，金属纳米颗粒的表面等离子效应可以有效地提高聚合物太阳能电池对光的吸收，进而提高其光电转化效率。 本论文运用真空蒸发镀膜技术和旋涂制膜技术制备基于P3HT: PCBM和P3HT:ICBA的聚合物太阳能电池。利用金、银纳米颗粒的表面等离子效应增加聚合物太阳能电池的光吸收，研究了器件的电流-电压特性(I-V)，外量子转化效率(IPCE)及其它性能的改变，具体内容如下： 1.利用溅射法制备了Au NPs，并将其应用到正置和反置聚合物太阳能电池中，但由于Au NPs的散射效应远远大于其近场表面等离子效应，使得活性层中的吸收减弱，最终导致置器件性能降低，由此可知将溅射法制备Au NPs应用到聚合物太阳能电池的透明电极处，利用其表面等离子效应提高光伏器件效率这一方法是行不通的。 2.通过将真空蒸镀的Ag纳米颗粒引入到金属电极附近的MoO3层中形成MoO3/Ag/MoO3夹层结构来增加P3HT: PC61BM体相异质结聚合物太阳能电池的光吸收。相同条件下与不加Ag NPs的参比电池相比，光电流有了明显增强，同时开路电压和填充因子也有所增加，器件的转换效率显著增强。研究表明，Ag NPs在金属电极处的背散射效应可以增加活性层中的光吸收，从而促进了电荷的收集，提高了太阳能电池的转化效率。这一结果说明Ag NPs的表面等离子效应在金属电极处可以提高器件的性能。 3.通过将蒸镀的Ag NPs引入到反置器件的金属电极附近形成纳米结构背电极来提高P3HT: ICBA聚合物太阳能电池的性能。器件通过模拟太阳光的光照处理后，其短路电流(Jsc)从11.64mA/cm2增加到12.88mA/cm2，并且在几乎不影响器件电学性能的情况下，转化效率从6.26%提高至7.21%。经过研究发现，器件性能的提高主要是由于Ag NPs的背散射效应使活性层中的光程增长，从而有利于载流子的传输和电荷的分离，进而改善了太阳能电池的器件性能。这一结果说明MoO3/Ag NPs/MoO3夹层结构在不同活性层材料的反置聚合物太阳能电池中具有普遍适用性。 【关键词】：聚合物太阳能电池 银纳米颗粒 金纳米颗粒 表面等离子 背散射 光诱捕
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 聚合物太阳能电池的研究进展10-15
• 1.1.1 聚合物太阳能电池的研究背景10
• 1.1.2 聚合物太阳能电池的工作原理10-11
• 1.1.3 聚合物太阳能电池的主要性能11-13
• 1.1.4 聚合物太阳能电池的光吸收增强方法13-15
• 1.2 表面等离子共振聚合物太阳能电池15-19
• 1.2.1 引言15
• 1.2.2 表面等离子的概念15
• 1.2.3 表面等离子共振理论15-16
• 1.2.4 表面等离子共振的耦合方式16-18
• 1.2.5 表面等离子体效应的理论研究方法18-19
• 1.3 本论文的主要研究内容及意义19-20
• 1.4 文献参考20-22
• 第二章 聚合物太阳能电池及金属纳米颗粒的制备表征22-29
• 2.1 实验材料22-24
• 2.2 实验设备24-26
• 2.2.1 高真空气相沉积仪24
• 2.2.2 太阳能电池测试系统24-25
• 2.2.3 量子效率测试系统25
• 2.2.4 材料表征系统25-26
• 2.3 器件制备26-27
• 2.3.1 ITO 玻璃衬底的清洗26
• 2.3.2 有机功能层的制备26-27
• 2.4 金属纳米颗粒的制备方法27-28
• 2.4.1 物理气相沉积法27
• 2.4.2 溅射法27
• 2.4.3 化学还原法27-28
• 2.5 参考文献28-29
• 第三章 离子溅射金纳米颗粒在聚合物太阳能电池中的性能研究29-38
• 3.1 引言29-30
• 3.2 实验部分30-31
• 3.2.1 ITO 玻璃衬底的清洗30
• 3.2.2 离子溅射法制备金纳米颗粒30
• 3.2.3 太阳能电池的制备30-31
• 3.3 结果与讨论31-35
• 3.4 本章小结35-36
• 3.5 参考文献36-38
• 第四章 热沉积银纳米颗粒在 P3HT: PCBM 聚合物太阳能电池中的性能研究38-50
• 4.1 引言38
• 4.2 实验部分38-39
• 4.2.1 ITO 玻璃衬底的清洗38
• 4.2.2 太阳能电池的制备38-39
• 4.3 结果与讨论39-46
• 4.4 本章小结46-47
• 4.5 参考文献47-50
• 第五章 热沉积银纳米颗粒在 P3HT: ICBA 聚合物太阳能电池中的性能研究50-60
• 5.1 引言50
• 5.2 实验部分50-51
• 5.2.1 ITO 玻璃衬底的清洗50-51
• 5.2.2 太阳能电池的制备51
• 5.2.3 理论计算51
• 5.3 结果与讨论51-56
• 5.4 本章小结56-57
• 5.5 参考文献57-60
• 第六章 总结和展望60-62
• 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文62-63
• 致谢63-64

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