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有机光伏电池中金属纳米结构的表面等离激元效应研究

朱锦锋  
【摘要】:近年来,有机太阳能电池发展迅速,它们具有廉价、柔软、轻便等诸多优点,是硅太阳能电池的有力挑战者,有望在未来光伏产业中扮演重要角色。然而,有机太阳能电池的进一步应用仍然受到一些技术因素的制约。首先,有机半导体中激子扩散长度比有机光伏电池活性层厚度短得多,且有机半导体载流子迁移率比硅半导体也小不少;这一固有缺陷要求有机光伏电池具有较薄的活性层以获取更高的能量转换效率,但随着活性层变薄,其光吸收也随之减少。其次,有机太阳能电池的透明电极材料通常是氧化铟锡,这种材料成本较高,且不适合于制造柔性光伏器件。 从这两个制约因素出发,本文研究了金属纳米结构表面等离激元效应在有机太阳能电池中的应用。一方面,利用金属纳米结构的表面等离激元增强效应,通过时域有限差分电磁模型优化设计具有金属纳米颗粒的有机光伏电池结构,采用电子束蒸发和溶液混溶的方法制备复合金属纳米颗粒的聚合物体异质结光伏电池以确保较薄的活性层有充足的光吸收;通过系统的理论和实验研究分析金属纳米颗粒在有机太阳能电池中的近场增强作用和电子效应。另一方面,通过对聚苯乙烯纳米球掩模技术的拓展,制备同样具有表面等离激元效应的金属纳米结构薄膜,重点研究了金属纳米多孔结构的光传输特性;通过简易的工艺手段操控金属纳米多孔薄膜的几何参数,调节薄膜的光学特性,成功制备了金属纳米网薄膜透明电极,并将其集成到聚合物体异质结太阳能电池中,获得的光伏器件能量转换效率达到3.12%,接近以氧化铟锡为透明电极的参照器件水平。 本论文的创新性在于深入研究金属纳米结构在有机太阳能电池中的表面等离激元增强效应及电子效应,通过模型的优化设计制备吸收增强的有机太阳能电池,通过电磁模拟和工艺操控制备具有金属纳米网电极的聚合物太阳能电池。本文的研究成果对基于表面等离激元效应的有机光伏电池和金属纳米结构透明电极的开发利用具有重要的指导意义和参考价值。


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