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银纳米立方颗粒对基于PTB7:PC_(70)BM有机太阳能电池性能的优化研究

关注热度:94   来源:新能源学术论文  作者:王志元
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【摘要】:有机太阳能电池(OSCs)因其制作工艺简单、原材料丰富、轻便、柔性、可大面积制备等优点,近年来得到了广泛关注。但与无机太阳能电池相比,其光电转化效率偏低,主要是由于OSCs活性层的光吸收长度和载流子传输距离之间的矛盾,限制了活性层的厚度,即活性层太厚不利于载流子的解离、传输和收集。因此,必须找一个方法在不增加活性层厚度的情况下,提高活性层的光吸收,以提高OSCs的光电转化效率。目前,最常见的方法是在OSCs中引入金属纳米结构,尤其是掺杂制备容易、光学性能易于调控的金属纳米颗粒,利用金属纳米颗粒的局域表面等离子激元共振和远场散射效应来提高OSCs光捕获,进而改善OSCs的光电转化效率。本工作选择了目前很少被关注的二氧化硅包覆的银纳米立方颗粒(Ag NCs@Si O2)和裸露的银纳米立方颗粒(Ag NCs),将其掺杂在活性层底部,研究了对基于PTB7:PC_(70)BM OSCs性能的影响,并对其中的物理机制进行了详细分析。主要研究内容如下:1、用液相化学合成法制备了Ag NCs。然后用St?ber的方法,对Ag NCs进行了二氧化硅包覆,得到了Ag NCs@Si O2。并用紫外-可见光吸收、场发射扫描电子显微镜和高分辨率透射电子显微镜对制得的银纳米颗粒进行了表征。结果显示,Ag NCs的边长为40-50 nm左右,Si O2包覆层的厚度大约为8-15 nm。Ag NCs的共振吸收峰位于351 nm,384 nm和440nm。Ag NCs@Si O2的共振吸收峰位于356 nm,386 nm和451 nm,相对于Ag NCs,主吸收峰红移了11 nm。2、设计并优化了基于PTB7:PC_(70)BM的标准OSCs和掺杂银纳米颗粒的OSCs,并对其光伏性能及稳定性进行了表征。结果表明,掺杂Ag NCs@Si O2和Ag NCs器件的平均光电转换效率分别为7.84%和7.52%,与标准器件相比,分别提高了13.8%和9.13%。而且掺杂银纳米颗粒可以改善器件的稳定性。3、通过研究掺杂银纳米立方颗粒对活性层相分离的影响和对激子产生、激子解离以及载流子迁移率的影响,详细分析了银纳米立方颗粒对电池光伏性能的影响机理。并通过掺杂Ag NCs@Si O2和Ag NCs光伏器件性能的对比研究探明了Si O2包覆层的作用。结果表明,掺杂银纳米立方颗粒后,提高了活性层对光的吸收能力,因而提高了激子的产生率;改善了活性层的相分离,因而提高了激子的解离率和载流子的传输和收集效率;改变了活性层内的光场分布,使激子的产生、解离区域移向阴极,降低了迁移率较低的电子的传输距离,减少了活性层内空间电荷的积累,也提高了载流子的传输和收集,同时提高了器件的稳定性。和Ag NCs相比,Ag NCs@Si O2激发了更强的表面等离激元共振,并且使银纳米颗粒更深入到活性层内部,因而表现了更强的光捕获能力和诱导了更高的载流子的传输和收集效率。
【关键词】:有机太阳能电池 银纳米立方颗粒 二氧化硅包覆 表面等离子体共振效应 相分离
【学位授予单位】:太原理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TM914.4;TB383.1
【目录】:
  • 摘要3-6
  • ABSTRACT6-11
  • 第一章 绪论11-25
  • 1.1 有机太阳电池主要研究进展12
  • 1.2 有机太阳能电池结构12-16
  • 1.2.1 单层太阳电池12-13
  • 1.2.2 双层太阳能电池13
  • 1.2.3 体异质结太阳能电池13-14
  • 1.2.4 叠层太阳能电池14-16
  • 1.3 有机太阳能电池工作原理16-18
  • 1.4 有机太阳能电池主要性能参数18-21
  • 1.5 金属纳米颗粒在有机太阳能电池中的应用21-23
  • 1.6 本论文的主要研究内容及意义23-25
  • 第二章 银纳米立方颗粒的制备及表征25-35
  • 2.1 化学试剂及实验仪器设备25-26
  • 2.2 银纳米颗粒的制备及表征26-33
  • 2.2.1 银纳米立方颗粒的制备流程26-28
  • 2.2.2 二氧化硅包覆银纳米立方颗粒的制备流程28-29
  • 2.2.3 银纳米颗粒形貌及光学特性29-33
  • 2.3 本章小结33-35
  • 第三章 银纳米颗粒掺杂的PTB7:PC_(70)BM有机太阳能电池的制备工艺及性能优化35-53
  • 3.1 实验材料及仪器设备35-39
  • 3.2 器件结构设计39
  • 3.3 器件制备工艺流程39-44
  • 3.3.1 ITO玻璃预处理39-41
  • 3.3.2 旋涂及掺杂工艺41-43
  • 3.3.3 蒸镀工艺43-44
  • 3.4 银纳米颗粒对PTB7:PC_(70)BM有机太阳电池性能的优化44-52
  • 3.4.1 Ag NCs对电池光伏性能的优化44-47
  • 3.4.2 Ag NCs@SiO2对电池光伏性能的优化47-48
  • 3.4.3 不同类型优化电池的平均性能参数对比48-51
  • 3.4.4 不同类型的优化电池的EQE对比研究51-52
  • 3.4.5 银纳米颗粒对电池稳定性的影响52
  • 3.5 本章小结52-53
  • 第四章 银纳米立方颗粒对PTB7:PC_(70)BM有机太阳能电池光伏性能的影响机理53-65
  • 4.1 银纳米立方颗粒对活性层相分离的影响53-58
  • 4.1.1 PEDOT:PSS薄膜的表面能研究53-55
  • 4.1.2 活性层的表面形貌研究55-56
  • 4.1.3 活性层的垂直相分离研究56-58
  • 4.2 银纳米立方颗粒对激子产生的影响58-61
  • 4.2.1 活性层的光吸收性能研究58-59
  • 4.2.2 光伏电池的饱和光电流研究59-60
  • 4.2.3 活性层给体的光发射研究60-61
  • 4.3 银纳米立方颗粒对激子解离的影响61-63
  • 4.4 银纳米立方颗粒对载流子迁移率的影响63-64
  • 4.5 本章小结64-65
  • 第五章 总结和展望65-67
  • 参考文献67-73
  • 致谢73-75
  • 硕士阶段科研成果75


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关键词: 有机太阳能电池

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