【摘要】：隨著我國(guó)人口不斷增加,面對(duì)目前嚴(yán)峻的環(huán)境污染問(wèn)題,天然氣、煤和石油等傳統(tǒng)不可再生能源已不能滿足當(dāng)今經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的需要和人們對(duì)“綠水青山”生態(tài)環(huán)境的需求。太陽(yáng)能由于來(lái)源廣泛沒(méi)有地域限制、清潔無(wú)污染、取之不盡等優(yōu)勢(shì)成為最為理想的新能源。隨著科技的不斷發(fā)展,可通過(guò)溶液處理的聚合物太陽(yáng)能電池作為可再生清潔能源由于具有成本低、質(zhì)量輕、材料可調(diào)節(jié)、便于大面積制備等優(yōu)勢(shì)在眾多光伏電池中異軍突起,成為科研工作者熱衷的研究對(duì)象。盡管目前無(wú)論是單節(jié)還是級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率都已達(dá)到14%,但是聚合物半導(dǎo)體材料由于存在吸收光譜窄、載流子遷移率低、激子擴(kuò)散長(zhǎng)度短等固有的缺點(diǎn)為進(jìn)一步提高電池效率造成了阻礙。因此,為了最大程度收集電荷和盡可能減少?gòu)?fù)合損失,體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽(yáng)能電池的活性層最佳厚度通常被限制在幾百納米左右。然而,盡管聚合物材料具有高吸收系數(shù),但是如此薄的活性層在其帶隙并不能完全吸收入射光。因此對(duì)于想要獲得高效率聚合物太陽(yáng)能電池最大的挑戰(zhàn)就是在充分的光吸收(需要較厚活性層)和有效的光生電荷收集(需要較薄活性層)之間權(quán)衡。圍繞這一問(wèn)題,本論文利用適當(dāng)?shù)墓夤芾斫Y(jié)構(gòu),在不改變優(yōu)化的活性層厚度情況下提高光吸收效率。對(duì)于不透明太陽(yáng)能電池,在界面層引入Cu納米粒子,通過(guò)表面等離子體共振效應(yīng)促進(jìn)活性層光吸收效率。同時(shí)為了拓展聚合物太陽(yáng)能電池商業(yè)化應(yīng)用范圍,還研究了可用于集成建筑光伏玻璃窗的半透明電池。為了解決透過(guò)率和轉(zhuǎn)換效率之間的矛盾,設(shè)計(jì)了半透明電池表面光匹配層-光子晶體(O-P)結(jié)構(gòu),在利用光子晶體禁帶高反射特點(diǎn)的同時(shí),優(yōu)化光匹配層厚度,在保證光透過(guò)率的同時(shí)提高半透明電池效率。最后結(jié)合界面層和表面兩種光管理結(jié)構(gòu)單元,制備了高效率,高顯色指數(shù)的半透明聚合物太陽(yáng)能電池。本論文主要研究成果如下:首先,我們?cè)O(shè)計(jì)一種在界面層通過(guò)熱蒸鍍法制備粒徑可控制的Cu納米粒子光管理結(jié)構(gòu)。得益于Cu和WO_3兩種材料表面能之間巨大的差異,在陽(yáng)極緩沖層WO_3表面可以形成均勻分布的孤島狀Cu納米粒子,通過(guò)入射光誘導(dǎo)產(chǎn)生局域表面等離子體共振效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)中對(duì)電池的穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光譜和透射譜的表征,兩種結(jié)果同時(shí)證明了界面層引入Cu納米粒子可以有效促進(jìn)激子產(chǎn)生效率和提高太陽(yáng)能電池P3HT:ICBA活性層光吸收。通過(guò)對(duì)器件復(fù)阻抗的測(cè)量發(fā)現(xiàn)Cu納米粒子還可以提高電池的電荷傳輸能力降低電池電阻。短路電流密度和IPCE測(cè)試結(jié)果表明Cu納米粒子可以使380-610 nm波段有效拓寬和提高,得到最佳3 nm厚度的Cu納米粒子電池的光電轉(zhuǎn)換效率為6.38±0.18%明顯高于對(duì)比電池效率4.65±0.14%。然后,在半透明太陽(yáng)能電池表面設(shè)計(jì)一種由光匹配層和光子晶體共同構(gòu)成的表面O-P結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)與活性層P3HT:ICBA吸收峰相匹配的510 nm中心波長(zhǎng)5周期光子晶體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在半透明電池表面和光子晶體中間插入光匹配層MoO_3后,IPCE曲線隨著MoO_3厚度的增加而被拓寬和提高,并且峰值產(chǎn)生明顯紅移現(xiàn)象。與0 nm單純光子晶體器件相比,當(dāng)MoO_3為80 nm時(shí)半透明太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率從4.03±0.14%提高到4.93±0.14%。此外,80 nm光匹配層半透明電池的平均可見(jiàn)光透過(guò)率達(dá)到26.10%,可以滿足光伏建筑窗戶的需求。此外,通過(guò)傳輸矩陣模型TMM理論模擬結(jié)果表明光匹配層的存在可以有效調(diào)節(jié)入射光的反射相移致使半透明電池的光電場(chǎng)強(qiáng)度重新分布,確�；钚詫庸馕诊@著增加,且計(jì)算模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。這種表面O-P結(jié)構(gòu)光管理辦法為改善半透明太陽(yáng)能電池效率和光透過(guò)率之間的矛盾提供了良好的解決方案。最后,將光源研究中的顯色特性與半透明聚合物透明電池相結(jié)合,探索提高PTB7-Th:PC_(71)BM半透明器件效率和顯色指數(shù)。首先,利用材料表面能差異通過(guò)熱蒸鍍法成功的將兩種Ag/Au納米粒子引入陽(yáng)極緩沖層中,降低器件電阻并通過(guò)局域表面等離子體共振效應(yīng)在最大程度提高半透明電池轉(zhuǎn)換效率。結(jié)果表明17±1.2 nm Ag和8±0.5 nm Au納米粒子電學(xué)性能最佳,半透明電池的光電轉(zhuǎn)換效率從5.50±0.15%提升至7.15±0.17%。然后,在優(yōu)化Ag/Au納米粒子半透明電池的表面覆蓋2周期光子晶體,達(dá)到拉平和提高半透明電池透射光譜的效果。通過(guò)調(diào)節(jié)光子晶體中心波長(zhǎng),在AM 1.5G光源輻射下得到最佳顏色特性半透明聚合物太陽(yáng)能電池,最佳顯色指數(shù)為95,最小色差為0.0025,最接近于參考光源的相關(guān)色溫5340 K,平均可見(jiàn)光透過(guò)率為20.38%,同時(shí)該電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到7.07±0.16%。結(jié)果說(shuō)明這種結(jié)合半透明太陽(yáng)能電池在界面層和表面雙重光管理方法可以為集成建筑光伏窗戶的商業(yè)化應(yīng)用提供有效的技術(shù)支持。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM914.4
【圖文】：

1.1 引言在世界經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，人口不斷增加、科技不斷進(jìn)步，人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的美好生活的需要，使得能源問(wèn)題日益突出。2017年，British Petroleum 公司發(fā)布的《BP 世界能源展望》中指出[1]，傳統(tǒng)的不可再生資源如石油、煤炭、天然氣仍然是為世界經(jīng)濟(jì)提供動(dòng)力的主要的能源，如圖 1.1 所示，其化石能源中天然氣增速最快, 年平均增幅 1.6%；石油繼續(xù)增長(zhǎng)，年均 0.7%；煤炭增長(zhǎng)放緩至年均 0.2%。這些傳統(tǒng)能源造成了巨大的環(huán)境破壞，其主要問(wèn)題表現(xiàn)為過(guò)渡開(kāi)采造成的環(huán)境破壞，大量廢棄礦坑礦井，地質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，溫室氣體排放，酸雨等。2017 年 1 月 18 日，國(guó)家主席習(xí)近平同志在日內(nèi)瓦萬(wàn)國(guó)宮出席“共商共筑人類命運(yùn)共同體”高級(jí)別會(huì)議，并發(fā)表題為《共同構(gòu)建人類命運(yùn)共同體》的主旨演講。中國(guó)作為世界第二大經(jīng)濟(jì)體，在國(guó)際舞臺(tái)上縱橫捭闔。在“構(gòu)建人類命運(yùn)共同體”理念指引下，積極應(yīng)對(duì)能源問(wèn)題。從圖 1.2 中可以看出，雖然中國(guó)在過(guò)去

1.1 引言在世界經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，人口不斷增加、科技不斷進(jìn)步，人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的美好生活的需要，使得能源問(wèn)題日益突出。2017年，British Petroleum 公司發(fā)布的《BP 世界能源展望》中指出[1]，傳統(tǒng)的不可再生資源如石油、煤炭、天然氣仍然是為世界經(jīng)濟(jì)提供動(dòng)力的主要的能源，如圖 1.1 所示，其化石能源中天然氣增速最快, 年平均增幅 1.6%；石油繼續(xù)增長(zhǎng)，年均 0.7%；煤炭增長(zhǎng)放緩至年均 0.2%。這些傳統(tǒng)能源造成了巨大的環(huán)境破壞，其主要問(wèn)題表現(xiàn)為過(guò)渡開(kāi)采造成的環(huán)境破壞，大量廢棄礦坑礦井，地質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，溫室氣體排放，酸雨等。2017 年 1 月 18 日，國(guó)家主席習(xí)近平同志在日內(nèi)瓦萬(wàn)國(guó)宮出席“共商共筑人類命運(yùn)共同體”高級(jí)別會(huì)議，并發(fā)表題為《共同構(gòu)建人類命運(yùn)共同體》的主旨演講。中國(guó)作為世界第二大經(jīng)濟(jì)體，在國(guó)際舞臺(tái)上縱橫捭闔。在“構(gòu)建人類命運(yùn)共同體”理念指引下，積極應(yīng)對(duì)能源問(wèn)題。從圖 1.2 中可以看出，雖然中國(guó)在過(guò)去

圖 1.3 (a)-(d)各種有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)。中間為鈣鈦礦結(jié)晶構(gòu)單元1.3 聚合物太陽(yáng)能電池1.3.1 太陽(yáng)光譜太陽(yáng)能電池是一種太陽(yáng)光照射在電池器件上產(chǎn)生光伏效應(yīng)的器件裝置，此了解掌握太陽(yáng)光譜對(duì)更好的提高電池性能是十分必要的。一束白色的太光，入射到三棱鏡時(shí)，通過(guò)折射作用可以得到紫、藍(lán)、青、綠、黃、橙、紅續(xù)彩色的光帶，這一光帶是按照波長(zhǎng)大小或者頻率有規(guī)律的分布，在光學(xué)上其稱為太陽(yáng)光譜。其實(shí)太陽(yáng)光譜的分布是非常寬廣的，如圖 1.4 所示，除了見(jiàn)光譜之外，短波長(zhǎng)不可見(jiàn)光又可分為 Y 射線、X 射線、紫外線，長(zhǎng)波長(zhǎng)不見(jiàn)光又包含近紅外、中間紅外、遠(yuǎn)紅外、微波以及無(wú)線電波等[34]。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2773643