硕士论文利用银纳米颗粒增强有机光伏电池性能的研究.pdf

天津理工大学
硕士学位论文
利用银纳米颗粒增强有机光伏电池性能的研究
姓名:王超
申请学位级别:硕士
专业:凝聚态物理
指导教师:印寿根;秦文静
2012-05
摘要太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。有机光伏电池成本低,制备工艺简单,柔性可折叠,对大规模利用太阳能,提供廉价电能具有重要的意义。但是,由于有机活性层材料光吸收系数低,载流子迁移率低,造成了最佳吸收厚度扩散长度牟恍鳎圃剂擞谢夥绯氐墓獾缱;剩惹行枰Mü理的设计材料、结构体系来解决这一问题。近年来,研究者采用了多种增强光吸收的方法来提高活性层材料对光的利用,进而提高电池器件的光电转化效率。其中在器件结构中加入金属纳米结构,关键是对于表面等离子体激元的利用有望提高有机层的吸光率,进一步提高电池的光电转化效率。本文利用化学法制备银纳米颗粒,将其加入经典结构有机光伏电池中,研究不同密度、不同位置的银纳米颗粒层产生的等离子体激元效应的特征,及其对器件性能的影响。,制备得到了大量粒径笥遥稚⒘己谩⒋慷高的银纳米颗粒。溶液中的银纳米颗粒在左右存在一个强的等离子共振吸收峰。当在基片上旋涂成膜后,由于介质介电常数的变化,共振吸收峰的峰位发生红移,至笥摇P慷嗖悖岣呖帕C芏龋芄幌灾岣吖舱裎辗宓那慷取将银纳米颗粒加入有机光伏器件中,利用其产生的表面等离子体共振,增强光吸收和利用。为了研究银纳米颗粒膜产生的增强吸收的机理,我们在不同位置加入不同浓度的银纳米颗粒,对经典器件进行了三种不同的结构优化:诠馊肷淝岸颂加银纳米颗粒;诠馊肷浜蠖颂砑右擅卓帕#在活性层中添加银纳米颗粒。本文通过系统分析银纳米颗粒对器件光、电性能的影响,为进一步设计器件结构,得到更高的光电转化效率提供了理论和实验依据。我们认为,在银纳米颗粒影响光吸收过程中,需要同时考虑四种主要因素:赵銮渴怯捎谀擅卓帕5墓馍⑸浠故遣了等离子共振;擅卓帕J欠癫找跤埃跋炝嘶钚圆愕奈眨银纳米颗粒的加入是否影响了电子的传输;擅卓帕5募尤胧欠穸越缑娼哟ゲ擞跋臁综合考虑这些因素,才能确定银纳米颗粒对器件效率的作用。基于这四个因素,总结出最佳的颗粒浓度和器件结构。在活性层入射前端添加适当密度的银纳米颗粒,可以得到在三种优化器件中最高的光电转化效率ィ染淦骷.%提高了.%;而最高短路电流./醋院蠖颂砑邮柿恳擅卓帕5挠呕骷染淦骷吡.%,而三种优化结构对器件的开路电压都没有影响。关键词:银纳米颗粒有机光伏电池开路电压短路电流光电转化效率表面等离子体爰ぷ共振
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第一章绪论弟一旱瑁记光伏电池分类研究背景随着世界人口压力和自然资源、生态环境保护压力的进一步加大,如何利用有限资源,发展环境友好型经济已成为世界各国面临的首要问题。年拢沂骞划正式出台,中央再次将转变经济发展模式,发展资源节约型、生态友好型经济列入规划目标。目前,我国传统矿物能源现状是:资源总量丰富、人均拥有量低、储存分布不均衡、开发难度大。在全球范围内,已探明的矿物燃料资源同样捉襟见肘,即使人类对能源需求量不再增长,矿物燃料的贮量也不过只够使用曜笥遥渲惺汀⑻烊黄的存储量更少,最多只能持续供应几十年,于是全球性的能源供应不足愈演愈烈。对于我国人口基数庞大、能源需求量高的现状,单靠矿物能源己不能满足我国经济与社会发展的需要。同时,每年矿物燃料的燃烧而排放到大气中的废气中,包含数十万吨有害气体及其他有害物质,会引发温室效应、酸雨等生态危害,影响人们的身体健康,引起全球气候恶化,造成水土严重污染。因此,要解决能源和环境问题,实现经济、社会可持续发展,首先必须取消以矿物作为燃料的能源汲取模式并以绿色能源取而代之作为主要能源。在目前己开发的诸如核能、生物能、风能、水能、潮汐能、地热和太阳能等洁净可再生能源中,太阳能是使用最安全、分布最广泛、储量最丰富、对生态环境压力最小的理想可再生绿色能源,因此直接利用太阳能或将太阳能转化为电能一直是各国科研、技作为最主要的太阳能转化工具,光伏电池是世界各国作为可再生清洁能源的主要研究目标之一,它是利用光伏打效应将太阳辐射转换为电能的装置,而且光伏并网可以实现大规模发电。年⑾至斯夥вΓ闍等人在实验中发现在太阳光照射下,硒片中会有光电流产生。年世界上第一块光伏电池在贝尔实验室诞生,它使用的是单晶硅材料,开始时能量转化效率己达ィ痪糜衷龃蟮ァ>过半个世纪的发展,,是太阳能光电市场上的主打产品。硅材料是间接带隙半导体,其对光吸收能力有限,原本不是理想的光伏材料,但由于硅工业在光伏电池出现以前就已经获得高度发展,甚至能制造出高纯度晶体硅,所术人员的重要着眼点。【啤