銀納米顆粒對有機太陽能電池性能的影響

【摘要】：化石能源日益消耗,迫切需要發(fā)展新能源,太陽能以其資源豐富、無需運輸、對環(huán)境無污染等優(yōu)點,受到各國的追捧。其中,太陽能電池是太陽能利用的一個重要方面。與無機太陽能電池相比,有機太能電池具有質(zhì)輕、工藝簡單、材料來源廣泛且可塑性強、可加工在柔性襯底上等一系列優(yōu)點,在工業(yè)化生產(chǎn)上具有更大的應(yīng)用潛力。目前,制約有機太陽能電池發(fā)展的主要瓶頸是能量轉(zhuǎn)化效率低,達(dá)不到產(chǎn)業(yè)化的要求,因此,提高有機太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率成為各國科學(xué)家的研究熱點。利用金屬納米顆粒的表面等離子體共振效應(yīng)提高太陽能電池的光吸收,已經(jīng)成為提高太陽能電池能量轉(zhuǎn)化效率的一種有效技術(shù)。本論文針對裸的金屬顆粒會導(dǎo)致激子淬滅、載流子復(fù)合的問題,提出將包覆型銀納米顆粒摻雜在有機太陽能電池中或插入隔離層將金屬顆粒與光敏層隔開,以更有效地提高太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率。 本文首先合成并表征了銀納米顆粒(AgNPs)及二氧化硅包覆的銀納米顆粒(Ag@SiO2),然后在對標(biāo)準(zhǔn)的P3HT:PCBM體系太陽能電池優(yōu)化的基礎(chǔ)上,將AgNPs或Ag@SiO2引入到器件中,研究了AgNPs的局域表面等離子體共振效應(yīng)以及包覆層、隔離層對有機太陽能電池能量轉(zhuǎn)化效率的影響,具體工作如下： 1、利用液相還原法制備形貌、大小可控的AgNPs,并利用TEOS水解對平均粒徑為30nm的AgNPs進(jìn)行二氧化硅包覆,通過調(diào)節(jié)酸堿度和TEOS的添加濃度,制備了包覆厚度為6～8nm左右的核殼銀納米顆粒Ag@SiO2。 2、通過調(diào)整P3HT:PCBM溶液的比例、濃度,薄膜的厚度以及熱退火工藝,優(yōu)化P3HT:PCBM體系有機太陽能電池的性能。結(jié)果表明：P3HT:PCBM薄膜厚度為220nm,退火溫度為120℃,退火時間為10min時器件的能量轉(zhuǎn)換效率最高,達(dá)到2.6%。 3、為了比較研究,本文首先將AgNPs引入到上述優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)電池的緩沖層中,研究了不同粒徑、不同濃度AgNPs對有機太陽能電池性能的影響。結(jié)果表明：添加30nm AgNPs的器件性能優(yōu)于添加70nm AgNPs的器件,且添加濃度為3mg/ml、粒徑為30nm的AgNPs的器件能量轉(zhuǎn)化效率最高,為3.08%,相比于標(biāo)準(zhǔn)器件提高了18.5%。 4、在上述研究的基礎(chǔ)上,在摻雜緩沖層PEDOT:PSS+AgNPs和光敏層P3HT:PCBM之間引入純PEDOT:PSS作為隔離層,研究了隔離層的厚度對有機太陽能電池性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)隔離層厚度為10nm時器件的能量轉(zhuǎn)化效率最大,達(dá)到3.15%,相比于標(biāo)準(zhǔn)器件提高21.2%,與無隔離層的AgNPs摻雜器件相比能量轉(zhuǎn)化效率進(jìn)一步提高。 5、最后將Ag@SiO2分別摻雜到緩沖層和光敏層中,研究了不同顆粒濃度對有機太陽能電池性能的影響。結(jié)果表明：Ag@SiO2可以更有效地提高器件性能。摻雜到緩沖層時,當(dāng)添加濃度為3ng/ml,器件效率最高可達(dá)3.23%,相比于標(biāo)準(zhǔn)器件增加了24.2%；摻雜到光敏層時,添加濃度為1mg/ml,器件效率最高可達(dá)3.22%,相比于標(biāo)準(zhǔn)器件增加了23.8%。 【關(guān)鍵詞】：有機太陽能電池 銀納米顆粒 二氧化硅包覆 隔離層 能量轉(zhuǎn)化效率
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 緒論10-22
• 1.1 有機太陽能電池概述10-16
• 1.1.1 有機太陽能電池的研究進(jìn)展10-11
• 1.1.2 有機太陽能電池的性能表征11-14
• 1.1.3 有機太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)類型14-15
• 1.1.4 有機太陽能電池的工作原理15-16
• 1.2 納米材料基本性質(zhì)及其在有機太陽能電池中的應(yīng)用及發(fā)展16-19
• 1.2.1 納米材料的基本性質(zhì)16-18
• 1.2.2 金屬納米顆粒在有機太陽能電池中的應(yīng)用及發(fā)展18-19
• 1.3 本文的主要工作19-22
• 第二章 銀納米顆粒及其包覆制備22-36
• 2.1 表征方法22-23
• 2.2 液相化學(xué)還原方法制備銀納米顆粒23-30
• 2.2.1 儀器設(shè)備及化學(xué)試劑23-24
• 2.2.2 無機試劑還原法制備納米銀三角片24-26
• 2.2.3 有機試劑還原法制備銀納米顆粒26-30
• 2.3 包覆型銀納米顆粒的制備30-32
• 2.3.1 實驗步驟31
• 2.3.2 包覆型銀納米顆粒的表征31-32
• 2.4 包覆型銀納米顆粒的表面處理32-34
• 2.4.1 實驗材料32
• 2.4.2 實驗步驟32-33
• 2.4.3 實驗表征33-34
• 2.5 本章小結(jié)34-36
• 第三章 基于P3HT：PCBM的有機太陽能電池的性能優(yōu)化36-46
• 3.1 測試方法36-37
• 3.2 器件制備工藝優(yōu)化37-39
• 3.2.1 基片清洗37-38
• 3.2.2 緩沖層的制備工藝38-39
• 3.3 P3HT：PCBM薄膜厚度與旋涂速率的關(guān)系曲線39-41
• 3.4 P3HT：PCBM薄膜的優(yōu)化對器件性能的影響41-45
• 3.4.1 P3HT：PCBM薄膜厚度的優(yōu)化42-44
• 3.4.2 退火工藝對器件性能的影響44-45
• 3.5 本章小結(jié)45-46
• 第四章 銀納米顆粒對有機太陽能電池性能的影響46-64
• 4.1 銀納米顆粒摻雜到PEDOT：PSS中對器件性能的影響46-53
• 4.1.1 實驗材料46-47
• 4.1.2 器件制備47-48
• 4.1.3 結(jié)果與分析48-53
• 4.2 隔離層對摻雜銀納米顆粒器件性能的影響53-55
• 4.3 包覆型銀納米顆粒摻雜到PEDOT：PSS中對器件性能的影響55-60
• 4.3.1 器件制備56-57
• 4.3.2 結(jié)果與分析57-60
• 4.4 包覆型銀納米顆粒摻雜到P3HT：PCBM中對器件性能的影響60-62
• 4.4.1 器件制備60
• 4.4.2 結(jié)果與分析60-61
• 4.4.3 小結(jié)61-62
• 4.5 本章小結(jié)62-64
• 第五章 總結(jié)與展望64-66
• 參考文獻(xiàn)66-70
• 致謝70-71
• 碩士階段科研成果71

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