利用银纳米颗粒增强有机光伏电池性能的研究

【摘要】：太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。有机光伏电池成本低，制备工艺简单，柔性可折叠，对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要的意义。但是，由于有机活性层材料光吸收系数低，载流子迁移率低，造成了最佳吸收厚度（100nm）与激子扩散长度（10nm）的不协调，制约了有机光伏电池的光电转化效率，迫切需要通过合理的设计材料、结构体系来解决这一问题。近年来，研究者采用了多种增强光吸收的方法来提高活性层材料对光的利用，进而提高电池器件的光电转化效率。其中在器件结构中加入金属纳米结构，关键是对于表面等离子体激元的利用有望提高有机层的吸光率，进一步提高电池的光电转化效率。 本文利用化学法制备银纳米颗粒，将其加入经典结构有机光伏电池中，研究不同密度、不同位置的银纳米颗粒层产生的等离子体激元效应的特征，及其对器件性能的影响。 （一）本文通过液-固-溶液法，制备得到了大量粒径20nm左右，分散良好、纯度高的银纳米颗粒。溶液中的银纳米颗粒在425nm左右存在一个强的等离子共振吸收峰。当在基片上旋涂成膜后，由于介质介电常数的变化，共振吸收峰的峰位发生红移，至472nm左右。旋涂多层，提高颗粒密度，能够显著提高共振吸收峰的强度。 （二）将银纳米颗粒加入有机光伏器件中，利用其产生的表面等离子体共振，增强光吸收和利用。为了研究银纳米颗粒膜产生的增强吸收的机理，我们在不同位置加入不同浓度的银纳米颗粒，对经典器件进行了三种不同的结构优化：（1）在光入射前端添加银纳米颗粒；（2）在光入射后端添加银纳米颗粒；（3）在活性层中添加银纳米颗粒。 本文通过系统分析银纳米颗粒对器件光、电性能的影响，为进一步设计器件结构，得到更高的光电转化效率提供了理论和实验依据。我们认为，在银纳米颗粒影响光吸收过程中，需要同时考虑四种主要因素：（1）吸收增强是由于纳米颗粒的光散射还是产生了等离子共振；（2）银纳米颗粒是否产生吸收阴影，影响了活性层的吸收；（3）银纳米颗粒的加入是否影响了电子的传输；（4）银纳米颗粒的加入是否对界面接触产生了影响。综合考虑这些因素，才能确定银纳米颗粒对器件效率的作用。基于这四个因素，总结出最佳的颗粒浓度和器件结构。在活性层入射前端添加适当密度的银纳米颗粒，可以得到在三种优化器件中最高的光电转化效率3.98%，比经典器件的3.22%提高了23.60%；而最高短路电流10.84mA/cm2来自后端添加适量银纳米颗粒的优化器件，比经典器件高了17.44%，而三种优化结构对器件的开路电压都没有影响。 【关键词】：银纳米颗粒 有机光伏电池 开路电压 短路电流 光电转化效率 表面等离子体共振
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-25
• 1.1 研究背景10
• 1.2 光伏电池分类10-12
• 1.2.1 半导体硅基光伏电池10-11
• 1.2.2 无机半导体薄膜光伏电池11
• 1.2.3 染料敏化光伏电池11-12
• 1.2.4 有机半导体光伏电池12
• 1.3 有机光伏电池的结构演变12-16
• 1.3.1 单一活性层结构有机半导体光伏电池12-13
• 1.3.2 异质结双层结构有机光伏电池13-14
• 1.3.3 体相异质结结构有机光伏电池14-15
• 1.3.4 电极修饰层15
• 1.3.5 叠层结构有机光伏电池15-16
• 1.4 有机光伏电池工作原理和主要性能参数16-20
• 1.4.1 体异质结有机光伏电池工作原理16-18
• 1.4.2 有机光伏电池主要性能参数18-20
• 1.5 表面等离子体简介20-24
• 1.5.1 表面等离子体共振（surface plasmon resonance，SPR）效应简介20
• 1.5.2 表面等离子体共振效应原理20-22
• 1.5.3 金属纳米颗粒对于光吸收增强的几种途径22-24
• 1.6 本课题研究目标和内容24-25
• 1.6.1 研究目标24
• 1.6.2 研究内容24-25
• 第二章 实验药品、试剂和设备25-29
• 2.1 实验药品和试剂25-26
• 2.2 实验仪器或设备26-29
• 第三章 银纳米颗粒的 LSS 制备方法29-35
• 3.1 银纳米颗粒的合成与成膜29-30
• 3.1.1 银纳米颗粒的 LSS 合成方法与原理29-30
• 3.1.2 银纳米颗粒膜的制备30
• 3.2 银纳米颗粒的形貌和光学特性分析30-34
• 3.2.1 银纳米颗粒的形貌分析30-32
• 3.2.2 银纳米颗粒的光学特性分析32-33
• 3.2.3 不同密度颗粒对吸收性能的影响33-34
• 3.3 本章小结34-35
• 第四章 银纳米颗粒在增强经典光伏器件性能中的应用35-54
• 4.3 基于 P3HT:PCBM 的经典结构电池35-37
• 4.3.1 ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al 经典结构电池的制备流程35
• 4.3.2 电池的光学性能研究35-37
• 4.4 表面等离子体共振效应对光伏电池性能的影响37-38
• 4.5 ITO/AgNPs/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al 结构光伏电池38-43
• 4.5.1 前端加入银纳米颗粒优化结构器件的制备38-39
• 4.5.2 前端加入银纳米颗粒对活性层光学性能的影响39
• 4.5.3 前端加入银纳米颗粒对器件光电性能的影响39-43
• 4.6 ITO /PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/AgNPs /LiF/Al 结构光伏电池43-47
• 4.6.1 后端加入银纳米颗粒优化器件的制备43
• 4.6.2 后端加入银纳米颗粒对活性层光学性能的影响43-44
• 4.6.3 后端加入银纳米颗粒对器件光电性能的影响44-47
• 4.7 银纳米粒子掺在入射前端与掺在入射后端对比47-49
• 4.8 ITO /PEDOT:PSS/P3HT:PCBM:AgNPs /LiF/Al 结构光伏电池49-52
• 4.8.1 活性层中掺入银纳米颗粒优化器件的制备49
• 4.8.2 活性层中掺入银纳米颗粒的形貌分析49-50
• 4.8.3 活性层中掺入银纳米颗粒对活性层光学性能的影响50
• 4.8.4 活性层中掺入银纳米颗粒对器件光电性能的影响50-52
• 4.9 本章小结52-54
• 第五章 全文总结及工作展望54-56
• 5.1 全文总结54
• 5.2 今后工作展望54-56
• 参考文献56-62
• 发表论文和科研情况说明62-63
• 致谢63-64

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