表面等离子体增强的有机太阳能电池研究

发布时间：2020-05-17 00:24

【摘要】：有机太阳能电池(OPVs)因成本低、重量轻、制备工艺简单和易实现柔性等潜在的优势而引起了研究者极大的关注。但是,相较于无机太阳能电池,OPVs能量转换效率依然很低,主要原因包括光活性层对入射光的捕获不充分、激子扩散长度较短、载流子迁移率较低以及给体受体有机材料能级的不匹配等。因此,增强电池对光的捕获效率是显著提升OPVs效率的一个重要途径。金属纳米粒子表面可产生强局域场进而促进活性层的吸收已被证明是提升OPVs性能的有效手段。经过二十多年的研究和发展,不同形状的纳米粒子,如金纳米球、金纳米立方、金纳米棒等形状的纳米粒子被广泛应用于OPVs中。同时,研究表明在裸露的纳米粒子表面存在载流子的复合将增加激子淬灭率,导致OPVs性能大幅衰减。因此,研究者们在纳米粒子裸露的表面包裹一层电介质材料以阻止载流子的复合。在本论文中,首先我们合成了具有强局域场的金纳米四面体,因为在之前的FDTD仿真研究中,我们发现金纳米四面体场强要高于球状和棒状两个数量级。然后我们使用一种绝缘聚合物PSS来包裹合成的金纳米四面体,形成核-壳结构,实验结果表明PSS易在纳米粒子表面形成薄壳层,可充分利用局域表面等离子体效应(LSPR)产生的局域场促进器件对光的吸收。最后我们将PSS包裹的金纳米四面体分别引入到基于P3HT:PC61BM以及PTB7-Th:PC71BM体系的OPVs中,通过优化纳米粒子的掺杂浓度进而大幅提升器件的性能,具体结果如下:(1)基于P3HT:PC61BM体系的电池,将2.5 nm PSS包裹的金纳米粒子置于空穴传输层与活性层之间的界面。能量转换效率从未掺杂器件的2.97%提升到3.65%,提升了22.9%。(2)基于PTB7-Th:PC71BM体系的电池,也将2.5 nm PSS包裹的金纳米粒子置于空穴传输层与活性层之间的界面。能量转换效率从未掺杂器件的8.17%提升到9.53%,提升了16.65%。PSS包裹的金纳米粒子诱导的LSPR效应明显地促进了活性层的光吸收以及提高了激子最大产率,最终大幅增加了电池的能量转换效率。本论文利用PSS包裹的金纳米四面体诱导的LSPR效应促进OPVs性能的提升,这种方法同样可以应用于其它光电领域,如有机发光二极管和钙钛矿太阳能电池,从而制备出高性能的器件。
【图文】：

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学位论文柔性、对太阳光吸收波段可调等显著优势，因而成和发展方向之一[4-7]。经过 20 多年的发展，，OPVs 的实验室中 OPVs 能量转化效率更是历史性地达到了工作机理能够将太阳能转换为电能的器件，其理论依据是半言（如图 1.1），电子从 N 型半导体扩散至 P 型半导荷层，而空穴从 P 型半导体扩散至 N 型半导体，在即在 P-N 结上形成内建电场。光照时，半导体因向 N 型半导体内迁移，光生空穴向 P 型半导体内迁，P-N 结两端形成光生电动势，进而形成光电流。

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N 区电势降低，P-N 结两端形成光生电动势，进而形成光电流。图 1.1 无机太阳能电池的 P-N 结光伏效应机理图1.2.1 有机太阳能电池的工作机理与无机太阳能电池不同，有机太阳能电池中光生伏特效应产生于光活性层中，光活性层常为有机小分子和聚合物薄膜，并且其分子结构应含有给体（Donor，简称“D”）和受体（Acceptor，简称“A”）的共轭体系，具有电子转移特性。工作原理（图 1.2 所示）如下所述：图 1.2 有机太阳能电池的光伏效应机理图
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4

【参考文献】