银的表面等离子体效应增强有机、杂化太阳能电池的性能研究

【摘要】：在太阳能电池中引入具有表面等离子体效应的金属纳米结构,能够有效地提高太阳能电池的光吸收及利用率,进一步提高太阳能电池的光电转化效率。其中,银纳米材料具有共振吸收系数高,化学性质稳定,易制备等优点,受到广泛的关注。本文研究了银纳米材料的尺寸、形貌、环境介质等因素对其表面等离子体效应的影响,并将其引入有机太阳能电池及有机无机杂化太阳能电池中,利用其表面等离子体增强效应提高电池器件对光的吸收。研究工作将主要由以下三个方面来阐述:(1)通过溶液法合成银纳米片(Ag Nanoprisms(Ag NPs)),并制备了结构为ITO/Ag NPs/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Li F/Al的有机太阳能电池器件。通过改变银纳米片的制备条件调节其表面等离子体共振吸收峰位。研究了银纳米片的表面等离子体共振吸收峰位变化对器件光吸收及光电转化效率的影响。进一步通过改变PEDOT:PSS缓冲层的厚度,研究了银纳米片等离子共振作用距离对器件效率的影响。通过优化银纳米片表面等离子共振吸收和活性层吸收的光谱匹配度以及缓冲层的厚度,使电池的光电转换效率增强了26%。(2)通过银镜反应合成三维的银纳米片阵列结构。研究了不同种子层的厚度,不同反应时间,不同封端剂浓度对银纳米片大小,形貌和密度的影响。原位硫化得到三维银/硫化银纳米片的结构,控制硫化时间得到不同比例银/硫化银的混合结构。在此基础上制备了结构为ITO/Ag/Ag2S:P3HT/Mo O3/Ag的有机无机杂化太阳能电池。优化制备条件后的器件开路电压为0.33 V,短路电流密度为20.40 m A/cm2,填充因子为50.21%,光电转换效率为3.50%。该转换效率相比于经典器件提高了15%。器件效率提高是由于银/硫化银纳米片结构中的银纳米片结构产生了等离子体效应,其阵列结构形成了光学微腔,增强了器件对光的吸收及利用率,同时,三维结构有利于形成大的激子分离界面,促进了激子产生和激子分离,提高了太阳能电池的效率。(3)在ITO上蒸镀银纳米颗粒膜,原位硫化后得到部分硫化的纳米颗粒膜结构,并制备了结构为ITO/Ag/Ag2S(nanoparticles):P3HT/Mo O3/Ag的有机无机杂化太阳能电池。优化制备条件后,器件的开路电压达到0.28 V,短路电流密度为11.44 m A/cm2,填充因子为40.01%,光电转换效率为1.21%。与三维的银/硫化银纳米片结构相比,其太阳能电池的光电转化效率较低,分析认为由于其平面结构产生的等离子共振效应较弱,与P3HT形成的异质结界面较少,因此不利于激子产生与分离。