有机光伏电池中金属纳米结构的表面等离激元效应研究

【摘要】：近年来，有机太阳能电池发展迅速，它们具有廉价、柔软、轻便等诸多优点，是硅太阳能电池的有力挑战者，有望在未来光伏产业中扮演重要角色。然而，有机太阳能电池的进一步应用仍然受到一些技术因素的制约。首先，有机半导体中激子扩散长度比有机光伏电池活性层厚度短得多，且有机半导体载流子迁移率比硅半导体也小不少；这一固有缺陷要求有机光伏电池具有较薄的活性层以获取更高的能量转换效率,但随着活性层变薄，其光吸收也随之减少。其次，有机太阳能电池的透明电极材料通常是氧化铟锡，这种材料成本较高，且不适合于制造柔性光伏器件。 从这两个制约因素出发，本文研究了金属纳米结构表面等离激元效应在有机太阳能电池中的应用。一方面，利用金属纳米结构的表面等离激元增强效应，通过时域有限差分电磁模型优化设计具有金属纳米颗粒的有机光伏电池结构，采用电子束蒸发和溶液混溶的方法制备复合金属纳米颗粒的聚合物体异质结光伏电池以确保较薄的活性层有充足的光吸收；通过系统的理论和实验研究分析金属纳米颗粒在有机太阳能电池中的近场增强作用和电子效应。另一方面，通过对聚苯乙烯纳米球掩模技术的拓展，制备同样具有表面等离激元效应的金属纳米结构薄膜，重点研究了金属纳米多孔结构的光传输特性；通过简易的工艺手段操控金属纳米多孔薄膜的几何参数，调节薄膜的光学特性，成功制备了金属纳米网薄膜透明电极，并将其集成到聚合物体异质结太阳能电池中，获得的光伏器件能量转换效率达到3.12%，接近以氧化铟锡为透明电极的参照器件水平。 本论文的创新性在于深入研究金属纳米结构在有机太阳能电池中的表面等离激元增强效应及电子效应，通过模型的优化设计制备吸收增强的有机太阳能电池，通过电磁模拟和工艺操控制备具有金属纳米网电极的聚合物太阳能电池。本文的研究成果对基于表面等离激元效应的有机光伏电池和金属纳米结构透明电极的开发利用具有重要的指导意义和参考价值。 【关键词】：有机太阳能电池 体异质结 表面等离激元 金属纳米网 透明电极
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-32
• 1.1 有机太阳能电池12-20
• 1.1.1 概述12-16
• 1.1.2 聚合物体异质结有机太阳能电池16-20
• 1.2 表面等离激元及其在光伏电池中的应用20-30
• 1.2.1 表面等离激元20-23
• 1.2.2 局域表面等离激元23-25
• 1.2.3 光通过金属亚波长孔洞阵列的超强透射25-26
• 1.2.4 表面等离激元太阳能电池26-30
• 1.3 研究依据与创新性30-31
• 1.4 论文研究内容提纲31-32
• 第二章 阳极与活性层间金属纳米颗粒的表面等离激元效应32-56
• 2.1 金属纳米颗粒表面等离激元效应在有机光伏电池中的应用32-33
• 2.2 金属纳米颗粒表面等离激元电磁模型基础33-38
• 2.2.1 时域有限差分算法基本原理34-36
• 2.2.2 金属的介电函数36-37
• 2.2.3 时域有限差分算法对金属材料色散的处理37-38
• 2.3 聚合物体异质结光伏器件电磁模型的建立38-44
• 2.3.1 金属纳米颗粒与光的相互作用简析38-39
• 2.3.2 银纳米颗粒的介电函数39-40
• 2.3.3 聚合物体异质结混合物及其介电函数40-42
• 2.3.4 结构设计与模型的建立42-44
• 2.4 模拟结果的分析与讨论44-51
• 2.5 阳极层与聚合物活性层间沉积银纳米颗粒的器件实验研究51-55
• 2.5.1 器件的制备51-52
• 2.5.2 器件测试结果与物理模型分析52-55
• 2.6 本章小节55-56
• 第三章 掺杂金属纳米颗粒的聚合物体异质结光电效应56-73
• 3.1 掺杂金属纳米颗粒的聚合物体异质结研究依据56-57
• 3.2 掺杂金属纳米颗粒的聚合物体异质结光伏电池物理模型57-65
• 3.2.1 器件光子模型58-60
• 3.2.2 器件电子模型60-65
• 3.2.3 器件光电模型分析仍面临的挑战65
• 3.3 金属纳米颗粒在体异质结中的电子效应实验研究65-71
• 3.3.1 光诱导线性增压的抽取电流瞬态谱技术65-67
• 3.3.2 器件的制备67
• 3.3.3 器件测量结果的分析67-71
• 3.4 本章小结71-73
• 第四章 纳米球掩模法制备的金属纳米结构及其光传输性质73-97
• 4.1 研究意义与依据73-76
• 4.1.1 金属纳米结构电极的应用价值73-74
• 4.1.2 金属薄膜厚度的选择74-76
• 4.2 利用纳米球掩模技术制备金属纳米结构薄膜76-90
• 4.2.1 纳米球掩模技术背景与基本原理76-78
• 4.2.2 制备金属纳米圆片阵列薄膜78-84
• 4.2.3 在基片上制备金属纳米多孔薄膜84-90
• 4.3 金属纳米孔洞结构光传输特性研究90-96
• 4.4 本章小结96-97
• 第五章 金属纳米网薄膜在聚合物光伏电池中的应用97-109
• 5.1 新型纳米结构透明电极的开发97-98
• 5.2 聚合物太阳能电池的制备与测试98-105
• 5.2.1 实验材料的准备98-99
• 5.2.2 器件的制备99-104
• 5.2.3 器件测试104-105
• 5.3 金纳米网有机太阳能电池光电性能分析105-108
• 5.4 本章小结108-109
• 第六章 结论和展望109-112
• 6.1 学位论文工作总结109-111
• 6.2 未来科研工作展望111-112
• 致谢112-113
• 参考文献113-122
• 攻博期间取得的研究成果122-125

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