银纳米三角片增强有机光伏电池性能机制的研究

【摘要】：有机太阳能电池成本价格低廉、制作工艺简单并且柔性器件可大面积制备。但是电池中主要吸光的有机活性层材料对太阳光的吸收范围较窄、载流子迁移率低等缺陷严重限制了太阳能电池效率的提升。通过增加活性层的厚度可以提高对光的吸收利用，但是增加了载流子的迁移距离，使电池串联电阻增大，影响电池效率。一种直接有效的方法可以解决这些问题，就是在电池中添加金属纳米结构，但是电池效率提高的原因仍存在争议。所以本文的研究工作中制备了银纳米三角片并应用于电池中，通过银纳米三角片特殊的光学性质来研究其提高电池效率的根本原因及将银纳米三角片添加在电池结构中不同位置对电池性能的影响。主要工作可分为以下及部分： （1）通过简单的化学反应合成银纳米三角片。研究了滴加不同种子溶液对银纳米三角片形貌、尺寸的影响。可以发现，滴加种子溶液量的多少是控制银纳米三角片生长的形貌、尺寸的关键因素之一。不同形貌、尺寸的银纳米三角片也分别对应着不用的等离子共振吸收峰。 （2）将银纳米三角片吸附在ITO上，并组装成完整电池。器件结构为：ITO/AgNPs/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al。通过吸附同密度不同吸收和同吸收不同密度两组实验得到了，最佳吸附时间和最佳匹配共振吸收峰，并证实银纳米三角片的共振吸收峰要与活性层的吸收峰相匹配才能提高电池效率，表面等离子体共振效应直接作用于激子的产生过程中。本文进一步研究了在不同位置添加银纳米三角片对电池性能的影响。结果表明，将银纳米三角片添加在入射前端、入射后端和分散在活性层中，得到的电池效果是不同的。求此推断，将银纳米三角片添加到电池中还要考虑是否会产生吸收阴影、影响界面接触和阻碍载流子传输三个重要因素。 （3）以金种子层为基底生长银纳米片阵列结构对电池性能的影响。器件结构为：ITO/Au/AgNSs/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/LiF/Al。加入了金种子层并没有影响器件的透光性。在金种子层上生长的银纳米片阵列成形不均匀，反而增加了表面粗糙度，影响了电池效率。 【关键词】：银纳米三角片 等离子体共振 散射 有机光伏电池 光电性能
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-21
• 1.1 前言9-11
• 1.2 有机光伏电池11-12
• 1.2.1 有机光伏电池的工作原理11
• 1.2.2 有机光伏电池的性能参数11-12
• 1.3 纳米级金属粒子等离子体效应简介12-14
• 1.3.1 纳米级金属粒子的等离子体效应简介12-13
• 1.3.2 纳米级金属粒子等离子体效应的原理13-14
• 1.3.3 纳米级金属粒子等离子体共振效应的模式14
• 1.4 银纳米三角片简介14-17
• 1.5 银纳米三角片的合成17-19
• 1.5.1 光化学方法合成银纳米三角片17-18
• 1.5.2 热合成法合成银纳米三角片18-19
• 1.6 银纳米三角片的应用进展及本课题的提出19-20
• 1.7 实验原料及设备20-21
• 第二章 银纳米三角片制备与 ITO 表面自组装21-27
• 2.1 引言21
• 2.2 银纳米三角片的合成21-22
• 2.3 银纳米三角片表征与讨论22-24
• 2.3.1 XRD 测试结果22
• 2.3.2 TEM 测试结果22-23
• 2.3.3 UV-vis 测试结果23-24
• 2.4 银纳米三角片在 ITO 表面自组装24-26
• 2.4.1 实验过程24-25
• 2.4.2 UV-vis 测试结果25
• 2.4.3 AFM 测试结果25-26
• 2.5 本章小结26-27
• 第三章 银纳米三角片提高有机光伏电池性能的作用机制27-41
• 3.1 引言27
• 3.2 不同形貌的银纳米三角片对有机光伏电池性能的影响27-32
• 3.2.1 有机光伏电池的制备27-28
• 3.2.2 不同形貌的银纳米三角片对 P3HT 多层膜 UV-vis 光谱的影响28-29
• 3.2.3 不同形貌的银纳米三角片对 P3HT 多层膜 PL 光谱的影响29-30
• 3.2.4 不同形貌的银纳米三角片对光伏器件性能的影响30-32
• 3.3 银纳米三角片对 P3HT：PCBM 多层薄膜光学特性及器件性能的优化32-37
• 3.3.1 有机光伏电池的制备32-33
• 3.3.2 银纳米三角片对 P3HT：PCBM 多层薄膜 UV-vis 光谱的影响33-34
• 3.3.3 银纳米三角片对 P3HT：PCBM 多层薄膜 PL 光谱的影响34-35
• 3.3.4 银纳米三角片对对 P3HT：PCBM 多层薄膜器件性能的影响35-37
• 3.4 银纳米三角片做为散射层和反射层对有机光伏器件性能的影响37-40
• 3.4.1 有机光伏电池的制备37-38
• 3.4.2 银纳米三角片做为散射层和反射层的器件性能对比38-39
• 3.4.3 在活性层中添加银纳米三角片对有机光伏器件性能的影响39-40
• 3.5 本章小结40-41
• 第四章 三维银纳米片阵列对有机太阳能电池性能的影响41-47
• 4.1 引言41
• 4.2 有机电池的制备41-42
• 4.3 银纳米片阵列对光伏电池光学性能的影响42-44
• 4.3.1 金种子层的透过光谱42-43
• 4.3.2 银纳米片阵列的 SEM 测试结果43
• 4.3.3 银纳米片阵列的紫外-可见吸收光谱43-44
• 4.4 银纳米片阵列对电池性能的影响44-46
• 4.5 本章小结46-47
• 第五章 全文总结与展望47-49
• 5.1 全文总结47
• 5.2 今后工作展望47-49
• 参考文献49-54
• 发表论文和科研情况说明54-55
• 致谢55-56

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