本文關(guān)鍵詞：基于金屬納米粒子局域表面等離子體增強型聚合物太陽能電池的研究　出處：《吉林大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：聚合物太陽能電池由于具有重量輕、成本低、柔性等獨特的特點而與傳統(tǒng)的無機薄膜太陽能電池形成了激烈的競爭。在過去幾年中,科研人員對聚合物太陽能電池的研究已經(jīng)深入到了各個方面,其中包括電子給體和受體材料的合成,界面修飾,納米顆粒的摻雜,光捕獲方法,串聯(lián)結(jié)構(gòu)等,這使得聚合物太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過了10%。然而,與無機太陽能電池相比,聚合物太陽能電池相對較低的能量轉(zhuǎn)換效率則限制了其進一步的發(fā)展與應(yīng)用。從聚合物太陽能電池的基本工作原理來看,其外部量子效率由內(nèi)部量子效率和吸收效率的乘積來確定的。盡管許多聚合物材料具有較高的吸收系數(shù)(105cm-1),但與具有相對較大的帶隙的硅材料相比,聚合物材料仍然難以吸收足夠的光以用于太陽能電池中。因此,為了達(dá)到既增強器件的光吸收又不增加聚合物太陽能電池活性層厚度的目的,產(chǎn)生了一種光捕獲方法(或光管理)。目前,各種光捕獲方法都已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,其中包括微腔結(jié)構(gòu),光子晶體和等離子體納米結(jié)構(gòu)。在這些方法中,值得特別關(guān)注的是基于光學(xué)性質(zhì)的等離子體激元納米結(jié)構(gòu),由于其獨特的可調(diào)光學(xué)共振特征而吸引了很多關(guān)注。實驗中,將通過等離子體共振效應(yīng)來達(dá)到提高聚合物太陽能電池的光電流、增強光吸收的目的。在本論文中,我們將通過一種熱蒸鍍法將Au納米粒子摻雜到反型聚合物太陽能電池的WO_3陽極緩沖層中。由于Au和WO_3之間的表面能的差異,導(dǎo)致蒸鍍過程中Au會經(jīng)歷成核,形成孤立島狀結(jié)構(gòu),金屬島狀結(jié)構(gòu)聚集成連續(xù)的薄膜這樣一個過程。原子力顯微鏡形貌圖表明Au形成薄膜的臨界厚度為8nm,這與電流電壓特性和光電子轉(zhuǎn)換效率的最優(yōu)性能測量結(jié)果是完全一致的。與未摻雜Au納米粒子的器件相比,摻雜Au納米粒子(8nm)器件的能量轉(zhuǎn)換效率從4.67±0.13%顯著提高到了6.63±0.17%。此外,透射光譜和穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光圖譜很好的證明了器件光吸收的增強。因此,器件在光學(xué)和電學(xué)方面性能的改善都意味著利用熱蒸鍍方法可以進一步提高器件性能,為以后的研究提供了更多的方法和途徑。在實驗中,通常會將金屬納米顆粒的表面等離子體共振效應(yīng)有效的應(yīng)用于聚合物太陽能電池中以提高功率轉(zhuǎn)換效率。然而,這樣的實驗探究普遍性的集中在利用單一類型的金屬納米粒子來增強僅在特定的窄波長范圍內(nèi)的光吸收。本文中,提出了采用熱蒸鍍法的表面能量誘導(dǎo)的雙金屬納米粒子的等離子體共振,以在更寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)光吸收的增強。實驗中,通過接觸角圖像可以得到Ag、Au和WO_3之間的表面能差異,這使得Ag和Au在蒸鍍過程的初始階段會分別聚集成孤立的島狀結(jié)構(gòu)而不是立即成膜,這一點在AFM圖譜中也得到了清晰的證明。由于Ag(350-450nm)和Au(450-600nm)納米粒子誘導(dǎo)的等離子體激元增強波長范圍幾乎可以覆蓋活性層的整個吸收光譜,它們協(xié)同作用使得器件的能量轉(zhuǎn)換效率從4.57±0.16提高到了6.55±0.12%。此外,穩(wěn)態(tài)PL測試有力的說明了Ag、Au納米粒子誘導(dǎo)的局域表面等離子體共振效應(yīng)可以有效的提高光吸收的強度。最后,紫外光電子能譜揭示出,在緩沖層中摻雜Au和Ag納米粒子會引起WO_3功函數(shù)和價帶的上移,這與空穴收集能力直接相關(guān)。我們相信利用簡單的熱蒸鍍技術(shù)的表面能誘導(dǎo)的雙金屬納米粒子局域等離子體共振效應(yīng)可以為聚合物太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率提高更大的發(fā)展空間。
[Abstract]:Polymer solar cells due to its light weight, low cost, flexible and other unique and traditional inorganic thin film solar cell formed fierce competition. In the past few years, the research on polymer solar battery has penetrated into all aspects, including synthesis, electron donor and acceptor materials interface modification nano particles, doped, light trapping method, series structure, which makes the energy conversion efficiency of polymer solar cells has more than 10%.. However, compared with inorganic solar cells, the energy conversion efficiency of polymer solar cells is relatively low, limiting its further development and application. From the basic principle of polymer solar cells the point of view, the external quantum efficiency is determined by the internal quantum efficiency and absorption efficiency of the product. Although many polymer materials with high The absorption coefficient (105cm-1), but compared with the relative band gap of silicon material with high polymer material, is still difficult to absorb enough light for solar cells. Therefore, in order to enhance the light absorption device without increasing the thickness of the active layer of the polymer solar cells to produce a light trapping method (or light management). At present, various light harvesting methods have been widely used, including micro cavity structure, photonic crystal and plasma nano structure. In these methods, in particular the plasmon optical properties based on nano structure, because of its unique characteristics of tunable optical resonance and attract a lot of attention. In the experiment, through the plasma resonance to improve the photocurrent of polymer solar cells, enhance light absorption. In this thesis, we will go through a heat Evaporation method with Au nanoparticles doped WO_3 anode buffer layer anti type polymer solar cell. Because of the differences between the surface Au and WO_3 can lead to the evaporation process, Au undergoes nucleation, formation of isolated island structure, metal island structure poly film integrated continuous atomic force of such a process. Microscope shows the critical thickness of Au thin film formation is 8nm, the optimal performance measurement results and the current voltage characteristics and photoelectric conversion efficiency is exactly the same. Compared with the undoped device of Au nanoparticles doped Au nanoparticles (8nm) energy conversion efficiency of the device from 4.67 + 0.13% to 6.63 + 0.17%. increased significantly in addition the transmission spectra, photoluminescence spectra and steady state is proved to enhance the light absorption of the device. Therefore, the performance of devices in the optical and electrical aspects of the improvement means plating method can further use of steam To improve the performance of the device, provides more methods and approaches for future research. In the experiment, usually applied to surface plasmon resonance of metal nanoparticles effectively in polymer solar cells to improve power conversion efficiency. However, this experiment focused universal in the use of a single type of metal nanoparticles to enhance only in a narrow wavelength in a certain range of light absorption. In this paper, the bimetallic nanoparticles surface plasmon resonance energy by thermal evaporation induced, in order to achieve the enhancement of light absorption in a wide range. In the experiment, the image can be obtained by the contact angle between Au and Ag, the surface of WO_3 the differences, which makes the Ag and Au were gathered in isolated island structure in the initial stage of deposition of the film is not immediately, this point in AFM map has also been clear Proof. Since Ag (350-450nm) and Au (450-600nm) nanoparticles plasmon induced enhancement of the wavelength range can cover almost the whole active layer absorption spectra, their synergistic effect makes up to 6.55 + 4.57 + 0.16 from 0.12%. in addition to improve the energy conversion efficiency of the device, the steady-state PL test strongly suggests that Ag, localized surface plasmon the resonance effect induced by Au nanoparticles can effectively improve the light absorption intensity. Finally, ultraviolet photoelectron spectroscopy reveals that in doped buffer layer of Au and Ag nanoparticles can cause the work function of WO_3 and the valence band shift, this ability is directly related with the hole collecting. We believe that we can double metal nanoparticles localized plasmon resonance effect using simple the steam surface plating technology for polymer solar cells can induce the energy conversion efficiency of greater development space.

【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TM914.4

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