基于表面等离子体共振增强的聚合物太阳能电池研究

【摘要】：共轭导电聚合物材料由于其具有柔韧性、易加工性，又具有半导体特性及导电特性等优点被人们所关注。随着人们对导电聚合物的不断深入探索，把它应用于太阳能电池器件，研究和开发低成本的聚合物太阳能电池成为了热点。但是，聚合物材料的吸收光谱较窄，且利用率较低，导致电池器件的光电转换效率低；另外，聚合物材料相对于无机半导体材料存在载流子迁移率低，且容易复合，扩散距离短等等问题。解决这些问题方法之一是重点研究吸收光谱宽且吸收系数高的聚合物材料；另一种方法就是设计陷光结构来提高光吸收，包括等离子体陷光、光子晶体陷光、光栅结构等，这些方法是通过限制入射光的传输特性，将光有效的限制在聚合物有源层材料之中，以达到增强光吸收，提高器件光电转换效率的目的。金属纳米粒子的表面等离子体陷光效应引起了科研工作者们的极大兴趣。 在本论文中，通过对金属纳米粒子制作工艺的研究，创新性的采用高真空蒸镀方法制备金属纳米结构，将该方法应用到聚合物太阳能电池中，系统的研究了金属纳米粒子的表面等离子体效应对聚合物太阳能电池光利用率的影响，通过优化制作工艺以及金属纳米粒子大小、位置，有效提升了器件的短路电流密度和能量转换效率。 Ag纳米粒子应用于正型聚合物太阳能器件中。首先，研究正型聚合物体异质结太阳能电池中有源层与电子传输层之间用蒸镀的方式加入Ag纳米粒子（1nm），通过实验观察到Ag纳米粒子（1nm）对正型聚合物体异质结太阳能电池器件的光电流和能量转换效率的提升作用；其次利用热蒸发的方式制备银纳米粒子，将其应用在正型器件的空穴传输层中，通过实验观察到Ag纳米粒子（1nm）使得正型器件的光电流和能量转换效率都有所提升；再次，然后我们用热蒸发的方式制备银纳米粒子，并将Ag纳米粒子（1nm）同时应用在正型器件的空穴传输层与电子传输层中，并对纳米粒子在空穴传输层中的位置进行优化。通过实验得到双纳米粒子的局域表面等离子体作用以及强散射作用，使器件性能得到了大幅度提高，器件的效率为2.31%，提高了约200%。为了进一步验证实验的准确性，我们对器件进行了原子力表面形貌分析表征、紫外-可见吸收分析表征、导电性提高的验证。论证了金属纳米粒子的引入对有机光伏器件光吸收性能和导电性能的作用。 Ag纳米粒子应用在反型聚合物太阳能电池中。简单介绍了TiO2电子传输层，以及运用溶胶-凝胶方法制备TiO2纳米层的过程；利用热蒸发的方式制备银纳米粒子，将其应用在基于TiO2薄膜的反型聚合物太阳能电池器件的空穴传输层中，通过实验验证了Ag纳米粒子对器件的短路电流密度和能量转换效率的提升作用；比较了不同厚度（1nm、3nm、5nm、8nm、10nm）Ag薄膜对器件性能的不同影响，得出当Ag薄膜为1nm时器件的性能得到了最大的提高器件的光电转换效率，效率提高到了3.35%，提高了约24%；并且对电池器件进行了紫外-可见吸收分析表征、复阻抗分析分析表征以及用FDTD软件模拟了Ag纳米粒子近场强度分布情况，有力的验证了银纳米粒子的加入器件性能的改善。 Ag纳米粒子与Au纳米粒子加入到基于PSBTBT：PC71BM的体异质反型聚合物太阳能器件的空穴传输层中。制作了PSBTBT：PC71BM不同质量比下的器件，优化纳米薄膜的厚度来最大限度的改善器件的性能。首先，Ag纳米粒子加入基于PSBTBT：PC71BM（质量比1：1.5）的体异质结的反型器件中，对器件的短路电流密度和能量转换效率的提升作用；比较了不同厚度（1nm、3nm）Ag薄膜对器件性能的不同影响，得出当Ag薄膜为1nm时器件的性能得到了最大的提高：器件的光电转换效率提高到了3.55%，提高了约52%。其次，Ag纳米粒子加入基于PSBTBT：PC71BM（质量比1：1）的体异质结的反型器件中，对器件的短路电流密度和能量转换效率的提升作用；在空穴传输层MoO3中引入1nm Ag（即Ag纳米粒子）后，器件的光电转换效率提高到了3.15%，提高了约41%。最后，Au纳米粒子加入基于PSBTBT：PC71BM（质量比1：1）的体异质结的反型器件中，对器件的短路电流密度和能量转换效率的提升作用；比较了不同厚度（1nm、3nm）Au薄膜对器件性能的不同影响，得出当Au薄膜为1nm时器件的性能得到了最大的提高，能量转换效率提高到了3.26%。 【关键词】：聚合物太阳能电池 体异质结 表面等离子体 Ag纳米粒子 Au纳米粒子
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第一章 绪论13-41
• 1.1 引言13
• 1.2 聚合物太阳能电池的研究背景13-14
• 1.3 聚合物太阳能电池的工作原理14-15
• 1.4 聚合物太阳能电池的参数15-16
• 1.5 聚合物太阳能电池的国内外发展现状16-28
• 1.5.1 聚合物太阳能电池的国外发展现状16-21
• 1.5.2 聚合物太阳能电池的国内发展现状21-28
• 1.6 金属纳米粒子在聚合物太阳能电池中的应用28-33
• 1.6.1 金属表面等离子体作用简介28
• 1.6.2 表面等离子体增强聚合物太阳能电池28-33
• 1.7 论文主要研究内容33-35
• 参考文献35-41
• 第二章 Ag纳米粒子应用于正型太阳能电池器件41-79
• 2.1 引言41-42
• 2.2 表面等离子体42-43
• 2.3 金属纳米粒子的制备43-45
• 2.4 Ag纳米粒子加入电子传输层中45-55
• 2.4.1 实验材料46-47
• 2.4.2 实验仪器47-48
• 2.4.3 器件的制备48-49
• 2.4.4 器件的机理49
• 2.4.5 器件的测试与分析49-53
• 2.4.6 器件的表征53-55
• 2.4.6.1 器件的原子力表面形貌分析表征53-54
• 2.4.6.2 器件的紫外-可见吸收分析表征54-55
• 2.5 Ag纳米粒子加入空穴传输层中55-63
• 2.5.1 实验材料56
• 2.5.2 实验仪器56
• 2.5.3 器件的制备56-57
• 2.5.4 器件的测试与分析57-61
• 2.5.5 器件的表征61-63
• 2.5.5.1 器件的原子力表面形貌分析表征61-62
• 2.5.5.2 器件的紫外-可见吸收分析表征62-63
• 2.6 双Ag纳米粒子等离子体器件63-72
• 2.6.1 器件的测试与分析63-67
• 2.6.2 Ag纳米粒子位于空穴传输层不同位置处67-69
• 2.6.3 器件的表征69-72
• 2.6.3.1 器件的紫外-可见吸收分析表征69-71
• 2.6.3.2 器件导电性提高验证71-72
• 2.7 本章小结72-74
• 参考文献74-79
• 第三章 Ag纳米粒子应用于反型太阳能电池器件79-101
• 3.1 引言79-80
• 3.2 电子传输层-TiO_2薄膜80-83
• 3.2.1 材料与仪器81
• 3.2.2 溶胶-凝胶法制备TiO_281-82
• 3.2.3 TiO_2薄膜的制备82-83
• 3.3 Ag纳米粒子加入基于P3HT:PCBM的反型器件中83-95
• 3.3.1 实验材料84
• 3.3.2 实验仪器84-85
• 3.3.3 器件的制备85
• 3.3.4 器件的机理85-86
• 3.3.5 器件的测试与分析86-90
• 3.3.6 器件的表征90-95
• 3.3.6.1 器件的原子力表面形貌分析表征90-92
• 3.3.6.2 器件的紫外-可见吸收分析表征92
• 3.3.6.3 器件的复阻抗分析表征92-93
• 3.3.6.4 器件的FDTD仿真表征93-95
• 3.4 本章小结95-97
• 参考文献97-101
• 第四章 Ag、Au纳米粒子应用于PSBTBT:PC_71BM反型器件101-115
• 4.1 引言101
• 4.2 Ag纳米粒子应用于PSBTBT:PC_71BM反型器件101-108
• 4.2.1 器件的制备102-103
• 4.2.2 器件的测试与分析103-108
• 4.2.2.1 PSBTBT:PC71BM质量比 1:1.5103-105
• 4.2.2.2 PSBTBT:PC71BM质量比 1:1105-108
• 4.3 Au纳米粒子应用于PSBTBT:PC_71BM反型器件108-111
• 4.3.1 器件的制备108
• 4.3.2 器件的测试与分析108-111
• 4.4 本章小结111-113
• 参考文献113-115
• 第五章 全文总结与展望115-119
• 5.1 全文总结115-117
• 5.2 展望117-119
• 攻读博士学位期间发表的论文119-121
• 致谢121

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