發(fā)布時(shí)間：2020-05-17 00:24

【摘要】：有機(jī)太陽能電池(OPVs)因成本低、重量輕、制備工藝簡單和易實(shí)現(xiàn)柔性等潛在的優(yōu)勢而引起了研究者極大的關(guān)注。但是,相較于無機(jī)太陽能電池,OPVs能量轉(zhuǎn)換效率依然很低,主要原因包括光活性層對入射光的捕獲不充分、激子擴(kuò)散長度較短、載流子遷移率較低以及給體受體有機(jī)材料能級的不匹配等。因此,增強(qiáng)電池對光的捕獲效率是顯著提升OPVs效率的一個(gè)重要途徑。金屬納米粒子表面可產(chǎn)生強(qiáng)局域場進(jìn)而促進(jìn)活性層的吸收已被證明是提升OPVs性能的有效手段。經(jīng)過二十多年的研究和發(fā)展,不同形狀的納米粒子,如金納米球、金納米立方、金納米棒等形狀的納米粒子被廣泛應(yīng)用于OPVs中。同時(shí),研究表明在裸露的納米粒子表面存在載流子的復(fù)合將增加激子淬滅率,導(dǎo)致OPVs性能大幅衰減。因此,研究者們在納米粒子裸露的表面包裹一層電介質(zhì)材料以阻止載流子的復(fù)合。在本論文中,首先我們合成了具有強(qiáng)局域場的金納米四面體,因?yàn)樵谥暗腇DTD仿真研究中,我們發(fā)現(xiàn)金納米四面體場強(qiáng)要高于球狀和棒狀兩個(gè)數(shù)量級。然后我們使用一種絕緣聚合物PSS來包裹合成的金納米四面體,形成核-殼結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明PSS易在納米粒子表面形成薄殼層,可充分利用局域表面等離子體效應(yīng)(LSPR)產(chǎn)生的局域場促進(jìn)器件對光的吸收。最后我們將PSS包裹的金納米四面體分別引入到基于P3HT:PC61BM以及PTB7-Th:PC71BM體系的OPVs中,通過優(yōu)化納米粒子的摻雜濃度進(jìn)而大幅提升器件的性能,具體結(jié)果如下:(1)基于P3HT:PC61BM體系的電池,將2.5 nm PSS包裹的金納米粒子置于空穴傳輸層與活性層之間的界面。能量轉(zhuǎn)換效率從未摻雜器件的2.97%提升到3.65%,提升了22.9%。(2)基于PTB7-Th:PC71BM體系的電池,也將2.5 nm PSS包裹的金納米粒子置于空穴傳輸層與活性層之間的界面。能量轉(zhuǎn)換效率從未摻雜器件的8.17%提升到9.53%,提升了16.65%。PSS包裹的金納米粒子誘導(dǎo)的LSPR效應(yīng)明顯地促進(jìn)了活性層的光吸收以及提高了激子最大產(chǎn)率,最終大幅增加了電池的能量轉(zhuǎn)換效率。本論文利用PSS包裹的金納米四面體誘導(dǎo)的LSPR效應(yīng)促進(jìn)OPVs性能的提升,這種方法同樣可以應(yīng)用于其它光電領(lǐng)域,如有機(jī)發(fā)光二極管和鈣鈦礦太陽能電池,從而制備出高性能的器件。
【圖文】：

學(xué)位論文 柔性、對太陽光吸收波段可調(diào)等顯著優(yōu)勢，因而成和發(fā)展方向之一[4-7]。經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，，OPVs 的實(shí)驗(yàn)室中 OPVs 能量轉(zhuǎn)化效率更是歷史性地達(dá)到了工作機(jī)理能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)換為電能的器件，其理論依據(jù)是半言（如圖 1.1），電子從 N 型半導(dǎo)體擴(kuò)散至 P 型半導(dǎo)荷層，而空穴從 P 型半導(dǎo)體擴(kuò)散至 N 型半導(dǎo)體，在即在 P-N 結(jié)上形成內(nèi)建電場。光照時(shí)，半導(dǎo)體因向 N 型半導(dǎo)體內(nèi)遷移，光生空穴向 P 型半導(dǎo)體內(nèi)遷，P-N 結(jié)兩端形成光生電動勢，進(jìn)而形成光電流。

N 區(qū)電勢降低，P-N 結(jié)兩端形成光生電動勢，進(jìn)而形成光電流。圖 1.1 無機(jī)太陽能電池的 P-N 結(jié)光伏效應(yīng)機(jī)理圖1.2.1 有機(jī)太陽能電池的工作機(jī)理與無機(jī)太陽能電池不同，有機(jī)太陽能電池中光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生于光活性層中，光活性層常為有機(jī)小分子和聚合物薄膜，并且其分子結(jié)構(gòu)應(yīng)含有給體（Donor，簡稱“D”）和受體（Acceptor，簡稱“A”）的共軛體系，具有電子轉(zhuǎn)移特性。工作原理（圖 1.2 所示）如下所述：圖 1.2 有機(jī)太陽能電池的光伏效應(yīng)機(jī)理圖
【學(xué)位授予單位】：南京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM914.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2667597