银纳米颗粒对有机太阳能电池性能的影响

【摘要】：化石能源日益消耗,迫切需要发展新能源,太阳能以其资源丰富、无需运输、对环境无污染等优点,受到各国的追捧。其中,太阳能电池是太阳能利用的一个重要方面。与无机太阳能电池相比,有机太能电池具有质轻、工艺简单、材料来源广泛且可塑性强、可加工在柔性衬底上等一系列优点,在工业化生产上具有更大的应用潜力。目前,制约有机太阳能电池发展的主要瓶颈是能量转化效率低,达不到产业化的要求,因此,提高有机太阳能电池的能量转化效率成为各国科学家的研究热点。利用金属纳米颗粒的表面等离子体共振效应提高太阳能电池的光吸收,已经成为提高太阳能电池能量转化效率的一种有效技术。本论文针对裸的金属颗粒会导致激子淬灭、载流子复合的问题,提出将包覆型银纳米颗粒掺杂在有机太阳能电池中或插入隔离层将金属颗粒与光敏层隔开,以更有效地提高太阳能电池的能量转化效率。 本文首先合成并表征了银纳米颗粒(AgNPs)及二氧化硅包覆的银纳米颗粒(Ag@SiO2),然后在对标准的P3HT:PCBM体系太阳能电池优化的基础上,将AgNPs或Ag@SiO2引入到器件中,研究了AgNPs的局域表面等离子体共振效应以及包覆层、隔离层对有机太阳能电池能量转化效率的影响,具体工作如下： 1、利用液相还原法制备形貌、大小可控的AgNPs,并利用TEOS水解对平均粒径为30nm的AgNPs进行二氧化硅包覆,通过调节酸碱度和TEOS的添加浓度,制备了包覆厚度为6～8nm左右的核壳银纳米颗粒Ag@SiO2。 2、通过调整P3HT:PCBM溶液的比例、浓度,薄膜的厚度以及热退火工艺,优化P3HT:PCBM体系有机太阳能电池的性能。结果表明：P3HT:PCBM薄膜厚度为220nm,退火温度为120℃,退火时间为10min时器件的能量转换效率最高,达到2.6%。 3、为了比较研究,本文首先将AgNPs引入到上述优化的标准电池的缓冲层中,研究了不同粒径、不同浓度AgNPs对有机太阳能电池性能的影响。结果表明：添加30nm AgNPs的器件性能优于添加70nm AgNPs的器件,且添加浓度为3mg/ml、粒径为30nm的AgNPs的器件能量转化效率最高,为3.08%,相比于标准器件提高了18.5%。 4、在上述研究的基础上,在掺杂缓冲层PEDOT:PSS+AgNPs和光敏层P3HT:PCBM之间引入纯PEDOT:PSS作为隔离层,研究了隔离层的厚度对有机太阳能电池性能的影响。结果表明：当隔离层厚度为10nm时器件的能量转化效率最大,达到3.15%,相比于标准器件提高21.2%,与无隔离层的AgNPs掺杂器件相比能量转化效率进一步提高。 5、最后将Ag@SiO2分别掺杂到缓冲层和光敏层中,研究了不同颗粒浓度对有机太阳能电池性能的影响。结果表明：Ag@SiO2可以更有效地提高器件性能。掺杂到缓冲层时,当添加浓度为3ng/ml,器件效率最高可达3.23%,相比于标准器件增加了24.2%；掺杂到光敏层时,添加浓度为1mg/ml,器件效率最高可达3.22%,相比于标准器件增加了23.8%。 【关键词】：有机太阳能电池 银纳米颗粒 二氧化硅包覆 隔离层 能量转化效率
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 有机太阳能电池概述10-16
• 1.1.1 有机太阳能电池的研究进展10-11
• 1.1.2 有机太阳能电池的性能表征11-14
• 1.1.3 有机太阳能电池的基本结构类型14-15
• 1.1.4 有机太阳能电池的工作原理15-16
• 1.2 纳米材料基本性质及其在有机太阳能电池中的应用及发展16-19
• 1.2.1 纳米材料的基本性质16-18
• 1.2.2 金属纳米颗粒在有机太阳能电池中的应用及发展18-19
• 1.3 本文的主要工作19-22
• 第二章 银纳米颗粒及其包覆制备22-36
• 2.1 表征方法22-23
• 2.2 液相化学还原方法制备银纳米颗粒23-30
• 2.2.1 仪器设备及化学试剂23-24
• 2.2.2 无机试剂还原法制备纳米银三角片24-26
• 2.2.3 有机试剂还原法制备银纳米颗粒26-30
• 2.3 包覆型银纳米颗粒的制备30-32
• 2.3.1 实验步骤31
• 2.3.2 包覆型银纳米颗粒的表征31-32
• 2.4 包覆型银纳米颗粒的表面处理32-34
• 2.4.1 实验材料32
• 2.4.2 实验步骤32-33
• 2.4.3 实验表征33-34
• 2.5 本章小结34-36
• 第三章 基于P3HT：PCBM的有机太阳能电池的性能优化36-46
• 3.1 测试方法36-37
• 3.2 器件制备工艺优化37-39
• 3.2.1 基片清洗37-38
• 3.2.2 缓冲层的制备工艺38-39
• 3.3 P3HT：PCBM薄膜厚度与旋涂速率的关系曲线39-41
• 3.4 P3HT：PCBM薄膜的优化对器件性能的影响41-45
• 3.4.1 P3HT：PCBM薄膜厚度的优化42-44
• 3.4.2 退火工艺对器件性能的影响44-45
• 3.5 本章小结45-46
• 第四章 银纳米颗粒对有机太阳能电池性能的影响46-64
• 4.1 银纳米颗粒掺杂到PEDOT：PSS中对器件性能的影响46-53
• 4.1.1 实验材料46-47
• 4.1.2 器件制备47-48
• 4.1.3 结果与分析48-53
• 4.2 隔离层对掺杂银纳米颗粒器件性能的影响53-55
• 4.3 包覆型银纳米颗粒掺杂到PEDOT：PSS中对器件性能的影响55-60
• 4.3.1 器件制备56-57
• 4.3.2 结果与分析57-60
• 4.4 包覆型银纳米颗粒掺杂到P3HT：PCBM中对器件性能的影响60-62
• 4.4.1 器件制备60
• 4.4.2 结果与分析60-61
• 4.4.3 小结61-62
• 4.5 本章小结62-64
• 第五章 总结与展望64-66
• 参考文献66-70
• 致谢70-71
• 硕士阶段科研成果71

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