利用表面等離子體增強有機太陽能電池性能的研究

【摘要】：聚合物本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池(BHJ)由于具有成本低、綠色環(huán)保等優(yōu)點對大規(guī)模利用太陽能,提供廉價電能具有重要的意義。但有機光伏材料較低的吸收系數(shù)及較弱的激子擴散能力,造成了有機太陽能電池最佳吸收厚度與激子擴散長度的不協(xié)調(diào),限制了光電轉(zhuǎn)化效率,迫切需要通過合理的設(shè)計材料與器件體系來解決這一問題。 在本文的研究工作中,我們把銀納米材料應(yīng)用到有機本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池中,利用納米銀顆粒產(chǎn)生的局域表面等離子體增強效應(yīng),增強了太陽能電池對光的吸收,促進器件的光電流的產(chǎn)生,最終提高電池性能。我們的研究工作主要分為以下三個方面的內(nèi)容: (1)我們采用化學合成方法制備出了銀納米晶,納米銀顆粒的平均粒徑分布在7nm左右。通過在PEDOT:PSS緩沖層和光敏層之間分別引入了低濃度和高濃度兩種不同濃度的銀納米晶,制備了基于活性層材料P3HT和PCBM共混的聚合物本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池,器件結(jié)構(gòu)為ITO /PEDOT:PSS /AgNPs layer/ P3HT:PCBM/LiF/Al。與對比器件相比,加入兩種不同濃度納米銀的器件的能量轉(zhuǎn)化效率都得到了不同程度的提高,能量轉(zhuǎn)化效率分別從2.89%提高到了3.21%和3.38%,分別提高了11.07%和16.96%。分析認為金屬納米銀存在的局域表面等離子體效應(yīng),使得納米銀周圍的局域電磁場在共振頻率下得到很大的增強,這種等離子體近場增強會進一步耦合到光敏層材料中,提高了有機半導體活性層材料P3HT:PCBM對光的吸收效率,進而提高了器件的能量轉(zhuǎn)化效率。對于加入了高濃度納米銀的有機太陽能電池,器件的外量子效率(IPCE)在峰值500nm左右從48%增加到了54%。 (2)我們采用了真空氣相沉積法在ITO(銦錫氧化物)導電玻璃基底上制備出了納米銀島狀薄膜。將納米銀引入到聚合物本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池中,制備了結(jié)構(gòu)為ITO/AgNPs layer/ PEDOT:PSS / P3HT:PCBM / LiF / Al的光伏電池。我們發(fā)現(xiàn)納米銀表面等離子體效應(yīng)產(chǎn)生的電磁場耦合,能夠穿過緩沖層與光敏層耦合,增加了活性層材料P3HT:PCBM對光的吸收,顯著提高光電流,進而增加了電池的能量轉(zhuǎn)化效率。聚合物太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率從2.84%增加到3.64%,器件的效率提高了28%。 (3)我們進一步研究了PEDOT:PSS緩沖層厚度對表面等離子體增強聚合物太陽能電池性能的影響。研究表明:納米金屬粒子增強的電磁場只能傳播到有限的空間內(nèi),所以當PEDOT:PSS薄膜越薄時,就會有更多的電磁場與活性層材料發(fā)生耦合,被活性層吸收,導致器件的短路電流密度和能量轉(zhuǎn)化效率得到提高。 【關(guān)鍵詞】：表面等離子體 納米銀顆粒 能量轉(zhuǎn)化效率 聚合物太陽能電池 吸收光譜
【學位授予單位】：天津理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：O539;TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-20
• 1.1 引言10-11
• 1.1.1 研究背景和意義10
• 1.1.2 太陽能電池的應(yīng)用10-11
• 1.2 太陽能電池的分類11-14
• 1.2.1 硅基太陽能電池11-12
• 1.2.2 化合物薄膜太陽能電池12
• 1.2.3 染料敏化太陽能電池12-13
• 1.2.4 有機太陽能電池13-14
• 1.3 太陽能電池的基本理論14-17
• 1.3.1 有機太陽能電池的工作原理14-15
• 1.3.2 太陽能電池的等效電路圖15-16
• 1.3.3 太陽能電池的主要參數(shù)16-17
• 1.4 有機薄膜太陽能電池17-18
• 1.4.1 有機薄膜太陽能電池器件的發(fā)展17-18
• 1.4.2 有機薄膜太陽能電池存在的問題18
• 1.5 本論文研究內(nèi)容和意義18-20
• 第二章 金屬納米粒子的表面等離子體知識20-30
• 2.1 引言20-21
• 2.2 納米金屬粒子的表面等離子體理論21-23
• 2.3 表面等離子體增強光吸收的三種模式23-24
• 2.4 納米金屬粒子的制備方法24-28
• 2.4.1 物理法25-26
• 2.4.2 化學法26-27
• 2.4.3 物理-化學法27-28
• 2.5 納米金屬粒子形貌表征28-30
• 2.5.1 透射電子顯微鏡(transmission electron microscope,TEM)28
• 2.5.2 掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)28
• 2.5.3 原子力顯微鏡（atomic force microscope,AFM）28
• 2.5.4 X 射線粉末衍射線寬法(X-ray diffraction,XRD)28-29
• 2.5.5 紫外-可見吸收光譜(UV-vis absorption spectra）29-30
• 第三章 化學法制備納米銀以及納米銀對有機太陽能電池性能的影響30-40
• 3.1 引言30
• 3.2 實驗部分30-32
• 3.2.1 原料和藥品30-31
• 3.2.2 儀器設(shè)備31
• 3.2.3 納米銀的合成31
• 3.2.4 光伏電池的制備31-32
• 3.3 納米銀的表征32-34
• 3.3.1 XRD 分析32-33
• 3.3.2 TEM 分析33
• 3.3.3 紫外-可見吸收光譜分析33-34
• 3.4 納米銀對有機太陽能電池性能的影響34-38
• 3.4.1 納米銀對有機太陽能電池器件紫外-可見吸收光譜的影響34-35
• 3.4.2 納米銀對有機太陽能電池器件光致發(fā)光光譜的影響35-36
• 3.4.3 納米銀對有機太陽能電池器件光伏性能的影響36-37
• 3.4.4 納米銀對有機太陽能電池器件外量子效率的影響37-38
• 3.5 小結(jié)38-40
• 第四章 真空氣相沉積法制備納米銀及其對有機太陽能電池性能的影響40-47
• 4.1 引言40-41
• 4.2 實驗部分41-42
• 4.2.1 原料和藥品41
• 4.2.2 儀器設(shè)備41
• 4.2.3 光伏電池的制備41-42
• 4.3 結(jié)果和討論42-46
• 4.3.1 不同厚度的納米銀的紫外-可見吸收光譜圖分析42-43
• 4.3.2 厚度為3.0nm 的銀的SEM 圖譜分析43
• 4.3.3 納米銀對有機太陽能電池紫外-可見吸收光譜的影響43-44
• 4.3.4 不同厚度納米銀對太陽能電池光伏性能的影響44-46
• 4.4 小結(jié)46-47
• 第五章 PEDOT:PSS 修飾層對表面等離子體增強有機太陽能電池性能的研究47-58
• 5.1 引言47-49
• 5.1.1 PEDOT:PSS 簡介48-49
• 5.1.2 PEDOT:PSS 的應(yīng)用49
• 5.2 實驗部分49-50
• 5.2.1 原料和藥品49
• 5.2.2 儀器設(shè)備49
• 5.2.3 光伏電池的制備49-50
• 5.3 不加納米銀時，PEDOT:PSS 厚度對有機太陽能電池光伏性能的影響50-52
• 5.4 納米銀厚度為0.6nm，PEDOT:PSS 厚度對有機太陽能電池性能的影響52-55
• 5.4.1 PEDOT:PSS 厚度對有機太陽能電池紫外-可見吸收光譜的影響52-53
• 5.4.2 PEDOT:PSS 厚度對有機太陽能電池光伏性能的影響53-55
• 5.5 納米銀厚度為3.0nm，PEDOT:PSS 厚度對有機太陽能電池性能的影響55-56
• 5.6 小結(jié)56-58
• 第六章 全文總結(jié)及工作展望58-60
• 6.1 全文總結(jié)58
• 6.2 今后工作展望58-60
• 參考文獻60-65
• 發(fā)表論文和科研情況說明65-66
• 致謝66-67

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