金纳米颗粒在聚合物太阳能电池中的应用

【摘要】将太阳能直接转化为电能的太阳能电池是解决当今世界日益严重的能源危机的一条重要途径。聚合物太阳能电池由于具有制备工艺简单、成本低廉、柔韧性好等优点,受到科学家们的广泛关注。然而聚合物太阳能电池相比于商业化的无机太阳能电池,其较低的能量转换效率仍然是制约其实用化的一个重要原因。影响聚合物太阳能电池效率提高的一个重要因素是其活性层的光吸收厚度远大于激子的扩散长度,导致活性层必须牺牲对光的吸收来保证激子的有效扩散。因此,如何在不增加活性层厚度的情况下增强光吸收是提高聚合物太阳能电池性能的一条有效途径。贵金属纳米材料具有独特的表面等离子体共振(LSPR)特性,LSPR可以在纳米晶体的周围产生一个强电磁场,而此电磁场作用于周围的物质可以增强它们的光吸收。这一特性使贵金属纳米材料成为提高聚合物太阳能电池光吸收能力的一种有效选择。本论文从金纳米颗粒(AuNPs)的合成和组装出发,以提高聚合物太阳能电池的性能为目标,开展了一系列的工作。论文第一章综述了聚合物太阳能电池的原理和器件结构,近几年来的研究进展,以及贵金属纳米材料在聚合物太阳能电池中的应用。论文第二章研究了AuNPsLangmuir-Blodgett(LB)单层薄膜的引入对聚合物太阳能电池(ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV:PCBM/Al,ITO:indiumtin-oxide;PEDOT:PSS:poly3,4-ethylenedioxy-thiophene:polystyrenesulfonate;MEH-PPV:poly(2-mthoxy-5(2’-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene);PCBM:[6,6]-phenyl-C61-butyricacidmethylester)性能的影响,结果显示在聚合物太阳能电池的阳极与阳极界面修饰层之间引入氧化金纳米颗粒LB单层薄膜可以增强器件的性能。研究发现氧化金纳米颗粒单层薄膜的加入可以同时提高器件的短路电流Jsc和开路电压Voc,其中Jsc的提高主要源于金纳米颗粒薄膜的LSPR效应,而Voc的增加则归因于插入了高功函的氧化金纳米颗粒薄膜层。论文第三章研究了聚合物太阳能电池(ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al,P3HT:poly(3-hexylthiophene))阳极界面修饰层(PEDOT:PSS)中掺杂不同粒径AuNPs对器件性能的影响。我们发现,只有当AuNPs粒径大于PEDOT:PSS层厚度时,AuNPs的LSPR效应才能引起活性层P3HT:PCBM吸收的增强；同时,AuNPs粒径的增大可以提高PEDOT:PSS薄膜表面粗糙度,增大其与活性层的接触面积,从而提高器件的空穴收集效率。但是,AuNPs粒径的进一步增大还会引起活性层形貌的变化,使给体/受体界面处的激子分离效率降低。因此,器件的Jsc和能量转化效率PCE的变化趋势是这两方面竞争的结果。论文第四章研究了聚合物太阳能电池(ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al)活性层(P3HT:PCBM)中掺杂AuNPs对器件性能的增强作用。研究表明,随着加入AuNPs浓度或粒径的增大,聚合物太阳能电池活性层的吸收强度会逐渐增大；但是同时活性层中的激子分离效率会逐渐降低。另外,器件的载流子迁移率也会随入AuNPs浓度增大先增加后减小。论文第五章研究了AuNPs在有机-无机杂化太阳能电池(ITO/PEDOT:PSS/CdSe:PCPDTBT/Al,PCPDTBT:poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b’]-dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)])中的应用,将相同粒径的AuNPs分别掺杂于阳极界面修饰层(PEDOT:PSS)和活性层(CdSe:PCPDTBT)中,均可增强器件的性能。其中,PEDOT:PSS层掺杂低浓度AuNPs后,通过提高空穴的收集效率,使器件的效率从2.95%提高到了3.20%。而CdSe:PCPDTBT活性层掺杂低浓度AuNPs后,同时增加了活性层的光学吸收和空穴的迁移率,从而使器件的效率从2.91%提高到了3.16%。
【作者】陈晓强；
【导师】陈红征；
【作者基本信息】浙江大学，高分子材料，2013，博士
【关键词】聚合物太阳能电池；金纳米颗粒；Langmuir-B1odgett；表面等离子体共振；光吸收；能量转化效率；杂化太阳能电池；

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