本文關(guān)鍵詞：聚合物太陽(yáng)能電池的納米金屬雜化及光電轉(zhuǎn)化效率研究

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【摘要】：聚合物太陽(yáng)能電池具有質(zhì)輕、可卷曲、制作工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn),但是聚合物太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率較低,加工溶劑劇毒,電池器件穩(wěn)定性差因素嚴(yán)重制約著其實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。為了解決以上問題,推動(dòng)聚合物太陽(yáng)能電池工業(yè)化生產(chǎn),我們通過納米金屬顆粒的局域表面等離子體共振效應(yīng)(LSPR)增強(qiáng)電池的光電轉(zhuǎn)化效率,通過綠色溶劑替代含氯溶劑實(shí)現(xiàn)了較好的光電轉(zhuǎn)化性能,通過溶液法制備CuOx空穴傳輸層提高了器件的穩(wěn)定性。具體研究?jī)?nèi)容如下:(1)納米金屬顆粒的局域表面等離子體共振效應(yīng)(LSPR)使其可以作為納米添加劑,摻雜到聚合物太陽(yáng)能電池中提高光吸收,從而增強(qiáng)其光電轉(zhuǎn)化效率。本論文,利用化學(xué)法合成了三種結(jié)構(gòu)不同的納米金屬顆粒,即納米Ag球型顆粒(Ag-NPs)、核殼結(jié)構(gòu)納米Ag@SiO_2顆粒(Ag@SiO_2-NPs)和三角形納米片層狀A(yù)g顆粒(Ag-nPl),不同形狀的納米金屬顆粒所具有的LSPR波長(zhǎng)不同,因而可以用來(lái)敏化增強(qiáng)不同范圍的光吸收。我們將三種不同形狀的納米金屬顆粒摻雜到溶液法制備的氧化鎢空穴傳輸層中,制作納米金屬摻雜的P3HT:PC61BM體系的聚合物太陽(yáng)能電池,測(cè)試結(jié)果顯示,摻雜未修飾Ag-NPs的電池的光電轉(zhuǎn)化效率(PCE)降低了,但是摻雜Ag@SiO_2-NPs和Ag-nPl的電池的PCE分別提高了13.2%和19.7%。系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn),由于氧化鎢空穴傳輸層的厚度只有10nm,Ag-NPs和Ag@SiO_2-NPs尺寸較大,會(huì)突出于氧化鎢空穴傳輸層而延伸到光活性層,能夠與光活性層材料直接接觸;而片層狀的Ag-nPl則會(huì)大部分嵌入到氧化鎢空穴傳輸層之中,避免與光活性材料直接接觸。表面裸露的Ag-NPs與光活性材料直接接觸產(chǎn)生了激子淬滅因而降低聚合物太陽(yáng)能電池的短路電流。反之,表面包裹二氧化硅的Ag@SiO_2-NPs和嵌入到空穴傳輸層中的Ag-nPl能有效避免與光活性材料直接接觸而防止激子淬滅,同時(shí)利用納米銀顆粒的LSPR效應(yīng)可以增加光活性層的光吸收,提高聚合物太陽(yáng)能電池的光電流,從而提高聚合物太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率。(2)利用形狀不同的Ag-nPl和Ag@SiO_2-NPs的共同摻雜聚合物太陽(yáng)能電池來(lái)實(shí)現(xiàn)光活性材料在全可見光范圍內(nèi)的敏化增強(qiáng),以增強(qiáng)聚合物太陽(yáng)能電池的光伏性能。為避免裸露的納米金屬顆粒直接接觸光活性材料造成激子淬滅,降低電池的光電轉(zhuǎn)化效率,我們將二氧化硅包裹后的納米金屬Ag顆粒直接摻雜到聚合物太陽(yáng)能電池的光活性層中,將裸露的Ag-nPl旋涂在ITO玻璃上,再制備空穴傳輸層,隔絕光活性層材料,從而有效利用納米金屬顆粒的LSPR效應(yīng),增強(qiáng)聚合物太陽(yáng)能電池中活性層的光吸收。優(yōu)化納米金屬顆粒的摻雜比例,發(fā)現(xiàn)共同摻雜Ag-nPl和Ag@SiO_2-NPs顆粒時(shí),PBDTTT-C-T:PC71BM體系的聚合物太陽(yáng)能電池獲得較高的光電轉(zhuǎn)化效率,最大PCE為8.46%,Jsc為17.23mA·cm-2。為了驗(yàn)證共摻雜Ag@SiO_2-NPs和Ag-nPl的聚合物太陽(yáng)能電池器件結(jié)構(gòu)對(duì)其他給受體材料組合的增強(qiáng)作用仍然有效,我們制作了PTB7-Th/PC71BM活性材料體系的聚合物太陽(yáng)能電池,所得最高的光電轉(zhuǎn)化效率為9.93%,短路電流密度達(dá)到18.01mA·cm-2,填充因子達(dá)到0.689。經(jīng)系統(tǒng)分析證明,增強(qiáng)的光電轉(zhuǎn)化效率主要是由摻雜納米金屬顆粒的LSPR效應(yīng)增強(qiáng)活性層的光吸收造成的。(3)尋找環(huán)境友好的綠色溶劑替代含劇毒的氯溶劑作為聚合物太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)溶劑,是非常有意義的研究課題。我們根據(jù)P3HT和PC71BM的Hansen溶解參數(shù)(HSPs)特點(diǎn),選用環(huán)境友好的非氯試劑甲苯作溶劑,苯甲酸乙酯作為甲苯的添加劑。優(yōu)化苯甲酸乙酯的摻雜比例發(fā)現(xiàn),當(dāng)苯甲酸乙酯的添加量為2%時(shí),P3HT:PC71BM薄膜得到理想的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),對(duì)應(yīng)聚合物太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到4.82%。所有甲苯與苯甲酸乙酯的組合可以有效的條件光活性層的微觀形貌,可以應(yīng)用于未來(lái)工業(yè)化生產(chǎn)過程,另外,我們還對(duì)苯甲酸乙酯調(diào)控P3HT:PC71BM薄膜形貌的機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)分析。(4)在聚合物太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)中,常用的PEDOT:PSS空穴傳輸層具有酸性,容易腐蝕ITO,從而影響聚合物太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性。我們通過簡(jiǎn)單的溶液法制備了化學(xué)穩(wěn)定的CuOx薄膜作為聚合物太陽(yáng)能電池的空穴傳輸層,取得了較高的光電性能,同時(shí)提高了聚合物太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性。因此,該方法制備的CuOx空穴傳輸層可以作為PEDOT:PSS的替代物,應(yīng)用到未來(lái)聚合物太陽(yáng)能電池的工業(yè)化生產(chǎn)中。綜上所述,本論文的創(chuàng)新之處在于根據(jù)納米金屬顆粒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在避免引起激子淬滅的同時(shí),有效的利用納米金屬顆粒摻雜增強(qiáng)聚合物太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率;利用環(huán)境友好的非氯試劑甲苯作溶劑,苯甲酸乙酯作為甲苯的添加劑,可以有效調(diào)控聚合物太陽(yáng)能電池光活性層的微觀形貌,實(shí)現(xiàn)較高的光電轉(zhuǎn)化性能;利用簡(jiǎn)單的溶液法制備化學(xué)穩(wěn)定的CuOx空穴傳輸層,取得了較高的光電轉(zhuǎn)化性能,同時(shí)提高了聚合物太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性。
【學(xué)位授予單位】：青島大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TM914.4

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7 劉，

本文編號(hào)：1274368