聚合物太阳能电池的纳米金属杂化及光电转化效率研究

发布时间：2017-12-10 12:05

  本文关键词：聚合物太阳能电池的纳米金属杂化及光电转化效率研究

  更多相关文章： 聚合物太阳能电池 纳米金属颗粒 局域表面等离子共振效应 非氯试剂 CuOx空穴传输层

【摘要】：聚合物太阳能电池具有质轻、可卷曲、制作工艺简单、生产成本低等优点,但是聚合物太阳能电池光电转化效率较低,加工溶剂剧毒,电池器件稳定性差因素严重制约着其实现工业化生产。为了解决以上问题,推动聚合物太阳能电池工业化生产,我们通过纳米金属颗粒的局域表面等离子体共振效应(LSPR)增强电池的光电转化效率,通过绿色溶剂替代含氯溶剂实现了较好的光电转化性能,通过溶液法制备CuOx空穴传输层提高了器件的稳定性。具体研究内容如下:(1)纳米金属颗粒的局域表面等离子体共振效应(LSPR)使其可以作为纳米添加剂,掺杂到聚合物太阳能电池中提高光吸收,从而增强其光电转化效率。本论文,利用化学法合成了三种结构不同的纳米金属颗粒,即纳米Ag球型颗粒(Ag-NPs)、核壳结构纳米Ag@SiO_2颗粒(Ag@SiO_2-NPs)和三角形纳米片层状Ag颗粒(Ag-nPl),不同形状的纳米金属颗粒所具有的LSPR波长不同,因而可以用来敏化增强不同范围的光吸收。我们将三种不同形状的纳米金属颗粒掺杂到溶液法制备的氧化钨空穴传输层中,制作纳米金属掺杂的P3HT:PC61BM体系的聚合物太阳能电池,测试结果显示,掺杂未修饰Ag-NPs的电池的光电转化效率(PCE)降低了,但是掺杂Ag@SiO_2-NPs和Ag-nPl的电池的PCE分别提高了13.2%和19.7%。系统分析发现,由于氧化钨空穴传输层的厚度只有10nm,Ag-NPs和Ag@SiO_2-NPs尺寸较大,会突出于氧化钨空穴传输层而延伸到光活性层,能够与光活性层材料直接接触;而片层状的Ag-nPl则会大部分嵌入到氧化钨空穴传输层之中,避免与光活性材料直接接触。表面裸露的Ag-NPs与光活性材料直接接触产生了激子淬灭因而降低聚合物太阳能电池的短路电流。反之,表面包裹二氧化硅的Ag@SiO_2-NPs和嵌入到空穴传输层中的Ag-nPl能有效避免与光活性材料直接接触而防止激子淬灭,同时利用纳米银颗粒的LSPR效应可以增加光活性层的光吸收,提高聚合物太阳能电池的光电流,从而提高聚合物太阳能电池的光电转化效率。(2)利用形状不同的Ag-nPl和Ag@SiO_2-NPs的共同掺杂聚合物太阳能电池来实现光活性材料在全可见光范围内的敏化增强,以增强聚合物太阳能电池的光伏性能。为避免裸露的纳米金属颗粒直接接触光活性材料造成激子淬灭,降低电池的光电转化效率,我们将二氧化硅包裹后的纳米金属Ag颗粒直接掺杂到聚合物太阳能电池的光活性层中,将裸露的Ag-nPl旋涂在ITO玻璃上,再制备空穴传输层,隔绝光活性层材料,从而有效利用纳米金属颗粒的LSPR效应,增强聚合物太阳能电池中活性层的光吸收。优化纳米金属颗粒的掺杂比例,发现共同掺杂Ag-nPl和Ag@SiO_2-NPs颗粒时,PBDTTT-C-T:PC71BM体系的聚合物太阳能电池获得较高的光电转化效率,最大PCE为8.46%,Jsc为17.23mA·cm-2。为了验证共掺杂Ag@SiO_2-NPs和Ag-nPl的聚合物太阳能电池器件结构对其他给受体材料组合的增强作用仍然有效,我们制作了PTB7-Th/PC71BM活性材料体系的聚合物太阳能电池,所得最高的光电转化效率为9.93%,短路电流密度达到18.01mA·cm-2,填充因子达到0.689。经系统分析证明,增强的光电转化效率主要是由掺杂纳米金属颗粒的LSPR效应增强活性层的光吸收造成的。(3)寻找环境友好的绿色溶剂替代含剧毒的氯溶剂作为聚合物太阳能电池的生产溶剂,是非常有意义的研究课题。我们根据P3HT和PC71BM的Hansen溶解参数(HSPs)特点,选用环境友好的非氯试剂甲苯作溶剂,苯甲酸乙酯作为甲苯的添加剂。优化苯甲酸乙酯的掺杂比例发现,当苯甲酸乙酯的添加量为2%时,P3HT:PC71BM薄膜得到理想的互穿网络结构,对应聚合物太阳能电池的光电转化效率可以达到4.82%。所有甲苯与苯甲酸乙酯的组合可以有效的条件光活性层的微观形貌,可以应用于未来工业化生产过程,另外,我们还对苯甲酸乙酯调控P3HT:PC71BM薄膜形貌的机理进行了系统分析。(4)在聚合物太阳能电池结构中,常用的PEDOT:PSS空穴传输层具有酸性,容易腐蚀ITO,从而影响聚合物太阳能电池的稳定性。我们通过简单的溶液法制备了化学稳定的CuOx薄膜作为聚合物太阳能电池的空穴传输层,取得了较高的光电性能,同时提高了聚合物太阳能电池的稳定性。因此,该方法制备的CuOx空穴传输层可以作为PEDOT:PSS的替代物,应用到未来聚合物太阳能电池的工业化生产中。综上所述,本论文的创新之处在于根据纳米金属颗粒的结构特点,在避免引起激子淬灭的同时,有效的利用纳米金属颗粒掺杂增强聚合物太阳能电池的光电转化效率;利用环境友好的非氯试剂甲苯作溶剂,苯甲酸乙酯作为甲苯的添加剂,可以有效调控聚合物太阳能电池光活性层的微观形貌,实现较高的光电转化性能;利用简单的溶液法制备化学稳定的CuOx空穴传输层,取得了较高的光电转化性能,同时提高了聚合物太阳能电池的稳定性。
【学位授予单位】：青岛大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM914.4

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