利用表面等离子体增强有机太阳能电池性能的研究

论文摘要

聚合物本体异质结太阳能电池(BHJ)由于具有成本低、绿色环保等优点对大规模利用太阳能,提供廉价电能具有重要的意义。但有机光伏材料较低的吸收系数及较弱的激子扩散能力,造成了有机太阳能电池最佳吸收厚度与激子扩散长度的不协调,限制了光电转化效率,迫切需要通过合理的设计材料与器件体系来解决这一问题。在本文的研究工作中,我们把银纳米材料应用到有机本体异质结太阳能电池中,利用纳米银颗粒产生的局域表面等离子体增强效应,增强了太阳能电池对光的吸收,促进器件的光电流的产生,最终提高电池性能。我们的研究工作主要分为以下三个方面的内容:(1)我们采用化学合成方法制备出了银纳米晶,纳米银颗粒的平均粒径分布在7nm左右。通过在PEDOT:PSS缓冲层和光敏层之间分别引入了低浓度和高浓度两种不同浓度的银纳米晶,制备了基于活性层材料P3HT和PCBM共混的聚合物本体异质结太阳能电池,器件结构为ITO /PEDOT:PSS /AgNPs layer/ P3HT:PCBM/LiF/Al。与对比器件相比,加入两种不同浓度纳米银的器件的能量转化效率都得到了不同程度的提高,能量转化效率分别从2.89%提高到了3.21%和3.38%,分别提高了11.07%和16.96%。分析认为金属纳米银存在的局域表面等离子体效应,使得纳米银周围的局域电磁场在共振频率下得到很大的增强,这种等离子体近场增强会进一步耦合到光敏层材料中,提高了有机半导体活性层材料P3HT:PCBM对光的吸收效率,进而提高了器件的能量转化效率。对于加入了高浓度纳米银的有机太阳能电池,器件的外量子效率(IPCE)在峰值500nm左右从48%增加到了54%。(2)我们采用了真空气相沉积法在ITO(铟锡氧化物)导电玻璃基底上制备出了纳米银岛状薄膜。将纳米银引入到聚合物本体异质结太阳能电池中,制备了结构为ITO/AgNPs layer/ PEDOT:PSS / P3HT:PCBM / LiF / Al的光伏电池。我们发现纳米银表面等离子体效应产生的电磁场耦合,能够穿过缓冲层与光敏层耦合,增加了活性层材料P3HT:PCBM对光的吸收,显著提高光电流,进而增加了电池的能量转化效率。聚合物太阳能电池的光电转化效率从2.84%增加到3.64%,器件的效率提高了28%。(3)我们进一步研究了PEDOT:PSS缓冲层厚度对表面等离子体增强聚合物太阳能电池性能的影响。研究表明:纳米金属粒子增强的电磁场只能传播到有限的空间内,所以当PEDOT:PSS薄膜越薄时,就会有更多的电磁场与活性层材料发生耦合,被活性层吸收,导致器件的短路电流密度和能量转化效率得到提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 研究背景和意义
• 1.1.2 太阳能电池的应用
• 1.2 太阳能电池的分类
• 1.2.1 硅基太阳能电池
• 1.2.2 化合物薄膜太阳能电池
• 1.2.3 染料敏化太阳能电池
• 1.2.4 有机太阳能电池
• 1.3 太阳能电池的基本理论
• 1.3.1 有机太阳能电池的工作原理
• 1.3.2 太阳能电池的等效电路图
• 1.3.3 太阳能电池的主要参数
• 1.4 有机薄膜太阳能电池
• 1.4.1 有机薄膜太阳能电池器件的发展
• 1.4.2 有机薄膜太阳能电池存在的问题
• 1.5 本论文研究内容和意义
• 第二章 金属纳米粒子的表面等离子体知识
• 2.1 引言
• 2.2 纳米金属粒子的表面等离子体理论
• 2.3 表面等离子体增强光吸收的三种模式
• 2.4 纳米金属粒子的制备方法
• 2.4.1 物理法
• 2.4.2 化学法
• 2.4.3 物理-化学法
• 2.5 纳米金属粒子形貌表征
• 2.5.1 透射电子显微镜（transmission electron microscope,TEM）
• 2.5.2 扫描电子显微镜（scanning electron microscope,SEM）
• 2.5.3 原子力显微镜（atomic force microscope,AFM）
• 2.5.4 X 射线粉末衍射线宽法（X-ray diffraction,XRD）
• 2.5.5 紫外-可见吸收光谱（UV-vis absorption spectra）
• 第三章 化学法制备纳米银以及纳米银对有机太阳能电池性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 原料和药品
• 3.2.2 仪器设备
• 3.2.3 纳米银的合成
• 3.2.4 光伏电池的制备
• 3.3 纳米银的表征
• 3.3.1 XRD 分析
• 3.3.2 TEM 分析
• 3.3.3 紫外-可见吸收光谱分析
• 3.4 纳米银对有机太阳能电池性能的影响
• 3.4.1 纳米银对有机太阳能电池器件紫外-可见吸收光谱的影响
• 3.4.2 纳米银对有机太阳能电池器件光致发光光谱的影响
• 3.4.3 纳米银对有机太阳能电池器件光伏性能的影响
• 3.4.4 纳米银对有机太阳能电池器件外量子效率的影响
• 3.5 小结
• 第四章 真空气相沉积法制备纳米银及其对有机太阳能电池性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 原料和药品
• 4.2.2 仪器设备
• 4.2.3 光伏电池的制备
• 4.3 结果和讨论
• 4.3.1 不同厚度的纳米银的紫外-可见吸收光谱图分析
• 4.3.2 厚度为3.0nm 的银的SEM 图谱分析
• 4.3.3 纳米银对有机太阳能电池紫外-可见吸收光谱的影响
• 4.3.4 不同厚度纳米银对太阳能电池光伏性能的影响
• 4.4 小结
• 第五章 PEDOT:PSS 修饰层对表面等离子体增强有机太阳能电池性能的研究
• 5.1 引言
• 5.1.1 PEDOT:PSS 简介
• 5.1.2 PEDOT:PSS 的应用
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 原料和药品
• 5.2.2 仪器设备
• 5.2.3 光伏电池的制备
• 5.3 不加纳米银时，PEDOT:PSS 厚度对有机太阳能电池光伏性能的影响
• 5.4 纳米银厚度为0.6nm，PEDOT:PSS 厚度对有机太阳能电池性能的影响
• 5.4.1 PEDOT:PSS 厚度对有机太阳能电池紫外-可见吸收光谱的影响
• 5.4.2 PEDOT:PSS 厚度对有机太阳能电池光伏性能的影响
• 5.5 纳米银厚度为3.0nm，PEDOT:PSS 厚度对有机太阳能电池性能的影响
• 5.6 小结
• 第六章 全文总结及工作展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 今后工作展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢