NaYF_4:Er~(3+)(2%),Yb~(3+)(18%)上轉(zhuǎn)換納米粒子及其在聚合物太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用

【摘要】：聚合物太陽(yáng)能電池以其低成本、輕便、制備工藝簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)柔性及適宜大面積生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)而被看作是最有前景的光伏器件。本論文概括總結(jié)了聚合物太陽(yáng)能電池，特別是體異質(zhì)結(jié)型太陽(yáng)能電池的研究情況以及影響聚合物太陽(yáng)能電池性能的因素。 NaYF4:Er3+(2%), Yb3+(18%)可以將近紅外光上轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光，由于其獨(dú)特的光學(xué)特性，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能電池領(lǐng)域。論文在P3HT:PCBM聚合物太陽(yáng)能電池研究的基礎(chǔ)之上，將上轉(zhuǎn)換材料NaYF4:Er3+(2%), Yb3+(18%)引入電池結(jié)構(gòu)中。P3HT可以有效吸收上轉(zhuǎn)換材料的熒光，從而改善了P3HT:PCBM聚合物太陽(yáng)能電池中太陽(yáng)光光譜響應(yīng)范圍窄的情況。但由于實(shí)際的上轉(zhuǎn)換效率較低，上轉(zhuǎn)換-聚合物太陽(yáng)能電池目前仍存在爭(zhēng)議，NaYF4:Er3+(2%), Yb3+(18%)對(duì)聚合物電池性能的影響機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。 我們分別合成了20nm油溶性和70nm水溶性的NaYF4:Er3+(2%), Yb3+(18%)納米粒子，并將其摻入到PEDOT:PSS太陽(yáng)能電池的空穴傳輸層中。實(shí)驗(yàn)中，摻入粒徑70nm納米粒子的器件表現(xiàn)出最優(yōu)性能，其短路電流比未摻雜上轉(zhuǎn)換納米粒子的聚合物電池的高出9.9%，能量轉(zhuǎn)換效率高出8.2%，而摻入20nm納米粒子的器件其電流比未摻器件高出8.9%，同時(shí)能量轉(zhuǎn)換效率高出6.5%。研究結(jié)果表明，NaYF4:Er3+(2%), Yb3+(18%)的光致發(fā)光對(duì)器件的性能并沒(méi)有起到明顯改善作用，上轉(zhuǎn)換納米粒子的溶劑、粒子對(duì)入射光的散射及其對(duì)PEDOT:PSS表面粗糙度和導(dǎo)電性的改變才是影響器件性能的主因。摻入70nm粒子器件之所以有最優(yōu)的性能主要?dú)w因于納米粒子較大的散射半徑、PEDOT:PSS膜層表面粗糙度的增大，同時(shí)還有乙醇作為上轉(zhuǎn)換納米粒子的溶劑對(duì)PEDOT:PSS導(dǎo)電性的負(fù)面影響的降低。 【關(guān)鍵詞】：NaYF4:Er3+ Yb3+ 上轉(zhuǎn)換 P3HT:PCBM 聚合物太陽(yáng)能電池
【學(xué)位授予單位】：南京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-6
• 目錄6-8
• 第一章 緒論8-25
• 1.1 引言8-9
• 1.2 太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介9-13
• 1.2.1 太陽(yáng)能電池定義9
• 1.2.2 太陽(yáng)能電池的分類(lèi)9-10
• 1.2.3 太陽(yáng)能電池等效工作電路10
• 1.2.4 太陽(yáng)能電池伏安（J-V）特性曲線及相關(guān)性能參數(shù)10-13
• 1.3 有機(jī)太陽(yáng)能電池的工作原理13-14
• 1.4 有機(jī)太陽(yáng)能電池常用材料14-17
• 1.4.1 小分子材料15-16
• 1.4.2 聚合物材料16
• 1.4.3 電極材料16
• 1.4.4 電極修飾層材料16-17
• 1.5 有機(jī)太陽(yáng)能的結(jié)構(gòu)17-20
• 1.5.1 單層結(jié)構(gòu)17-18
• 1.5.2 雙層結(jié)構(gòu)18-19
• 1.5.3 混合異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)19-20
• 1.5.4 分子 D-A 結(jié)結(jié)構(gòu)20
• 1.6 聚合物電池發(fā)展現(xiàn)狀及制約效率因素20-25
• 1.6.1 聚合物太陽(yáng)能電池近期發(fā)展21-23
• 1.6.2 影響聚合物太陽(yáng)能電池效率的因素23-25
• 第二章 稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料25-37
• 2.1 上轉(zhuǎn)換材料簡(jiǎn)介25
• 2.2 上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)制25-27
• 2.3 稀土粒子摻雜上轉(zhuǎn)換的材料選擇27
• 2.4 Yb~(3+)/Er~(3+)摻雜的上轉(zhuǎn)換材料27-29
• 2.5 上轉(zhuǎn)換材料制備方法29-30
• 2.5.1 高溫固相法29
• 2.5.2 溶膠-凝膠法29
• 2.5.3 沉淀法29-30
• 2.5.4 水熱法30
• 2.6 上轉(zhuǎn)換材料表征手段30-31
• 2.6.1 X 射線衍射譜30
• 2.6.2 掃描電子顯微鏡30
• 2.6.3 透射電子顯微鏡30-31
• 2.6.4 紫外-可見(jiàn)-近紅外分光光度計(jì)31
• 2.6.5 熒光分光光度計(jì)31
• 2.7 稀土上轉(zhuǎn)換在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用31-36
• 2.7.1 稀土上轉(zhuǎn)換材料在無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用32-33
• 2.7.2 稀土上轉(zhuǎn)換材料在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用33-34
• 2.7.3 稀土上轉(zhuǎn)換材料在聚合物太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用34-36
• 2.8 本文工作36-37
• 第三章 NaYF_4:Er~(3+)(2%),Yb~(3+)(18%)納米粒子的合成37-43
• 3.1 油溶性 NaYF_4:Er~(3+)(2%),Yb~(3+)(18%)納米粒子的合成37-40
• 3.1.1 以稀土氟化物為原料的 NaYF_4:Er~(3+)(2%),Yb~(3+)(18%)納米粒子37-39
• 3.1.2 以稀土氯化物為原料的 NaYF_4:Er~(3+)(2%),Yb~(3+)(18%)納米粒子39-40
• 3.2 水溶性 NaYF_4:Er~(3+)(2%),Yb~(3+)(18%)納米粒子的合成40-41
• 3.3 油溶性和水溶性 NaYF_4:Er~(3+)(2%),Yb~(3+)(18%)的熒光光譜41-42
• 3.4 本章小結(jié)42-43
• 第四章 聚合物太陽(yáng)能電池基礎(chǔ)器件制備工藝探索43-50
• 4.1 器件制備關(guān)鍵工藝44-45
• 4.1.1 旋涂成膜法和真空蒸鍍法44
• 4.1.2 紫外-臭氧（UV-O3）處理44
• 4.1.3 膜層的退火處理44-45
• 4.2 基礎(chǔ)器件制備流程45-47
• 4.2.1 基片的清洗45-46
• 4.2.2 活性層溶液的配備46
• 4.2.3 陽(yáng)極修飾層的旋涂46
• 4.2.4 有機(jī)活性層的旋涂46
• 4.2.5 陰極的蒸鍍46-47
• 4.3 測(cè)試方法47
• 4.4 UV-O3處理對(duì)器件性能影響47-48
• 4.5 活性層溶劑退火對(duì)器件性能影響48-49
• 4.6 本章小結(jié)49-50
• 第五章 上轉(zhuǎn)換—聚合物太陽(yáng)能電池50-67
• 5.1 上轉(zhuǎn)換—聚合物太陽(yáng)能電池構(gòu)思50-52
• 5.1.1 研究目的50
• 5.1.2 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)50-52
• 5.2 油溶性 UC NPs20摻雜的聚合物太陽(yáng)能電池52-54
• 5.2.1 油溶性 UC NPs20摻雜的聚合物太陽(yáng)能電池的制備52
• 5.2.2 J-V 特性曲線及特征參數(shù)52-54
• 5.2.3 PEDOT:PSS 膜層 SEM 圖54
• 5.3 增強(qiáng) PEDOT:PSS 導(dǎo)電性的方法54-58
• 5.3.1 摻雜有機(jī)溶劑的 PEDOT:PSS 在有機(jī)太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用舉例55-56
• 5.3.2 摻雜乙醇的 PEDOT:PSS 在聚合物太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用研究56-58
• 5.4 水溶性 UC NPs70摻雜的聚合物太陽(yáng)能電池58-59
• 5.4.1 水溶性 UC NPs70摻雜的聚合物太陽(yáng)能電池制備58
• 5.4.2 J-V 曲線及特征參數(shù)58-59
• 5.5 影響上轉(zhuǎn)換-聚合物太陽(yáng)能電池性能的關(guān)鍵因素探索59-65
• 5.5.1 NaYF_4:Er~(3+)(2%),Yb~(3+)(18%)光致發(fā)光對(duì)器件性能的影響60-63
• 5.5.2 NaYF_4:Er~(3+)(2%),Yb~(3+)(18%)的散射作用對(duì)器件性能影響因素探究63-64
• 5.5.3 膜層表面粗糙度64-65
• 5.6 本章小結(jié)65-67
• 總結(jié)與展望67-69
• 參考文獻(xiàn)69-75
• 攻讀碩士學(xué)位期間撰寫(xiě)的論文75-76
• 致謝76

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