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金纳米颗粒等离激元增强聚合物太阳电池

作　者: 方一
导　师: 侯延冰
学　校: 北京交通大学
专　业: 光学工程
关键词: 聚合物光伏等离激元散射作用金纳米颗粒瞬态光电流脉冲激光
分类号: TM914.4
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

本论文围绕金纳米颗粒增强聚3-己基噻吩(P3HT)和富勒烯衍生物混合体系太阳电池光伏性能展开研究,主要内容分为三个部分：首先利用液相化学两步合成法与脉冲激光照射法制备了金纳米棒、金纳米球溶胶和以ITO为基底的金纳米团簇,对得到的三种金纳米颗粒进行了表征和分析；然后将金纳米棒、金纳米球溶胶分别掺入到器件中增强P3HT:PCBM太阳电池光伏性能,将以ITO为基底的金纳米团簇制备成P3HT:ICBA太阳电池,并对增强效果进行讨论；最后采用瞬态光电流测试方法对两种金纳米球增强性能的器件和参考器件进行了分析,并讨论了金纳米球对载流子俘获／释放过程的影响。1利用液相化学合成法制备了金纳米棒和金纳米球的溶胶；利用不同强度的脉冲激光对以ITO为基底的金纳米薄膜照射处理,得到了不同平均粒径的金纳米团簇。(?)通过液相化学两步合成法,首先合成了金纳米种子,然后分别得到了长宽比为5：1、长度为50nm的金纳米棒和平均粒径为50nm的金纳米球。经紫外可见消光光谱分析,金纳米棒和金纳米球分别在紫外可见光区域内展现出了特有的双共振吸收峰。(?)利用波长为355nm、脉宽为5ns的脉冲激光对蒸镀在ITO基底上的金纳米薄膜进行照射,得到了分布均匀、平均粒径分别为11.3nm、15.2nm和25.3nm的金纳米团簇。令通过扫描电镜、原子力显微镜和紫外可见消光光谱仪的表征,展示了不同厚度的金纳米薄膜在不同强度脉冲激光照射下表面形貌和光学性质的变化过程。金纳米团簇形成的机理是反润湿现象和融化、聚集及冷却的过程。(?)对金纳米薄膜在脉冲激光照射后瞬间温度的变化进行了估算,发现三种厚度的金膜在受到高强度脉冲激光照射后瞬间温度变化均超过了宏观尺度下金的熔点。2将得到的金纳米棒、金纳米球溶胶和金纳米团簇,加入到聚合物太阳电池ITO修饰层中和其与活性层之间,发现适当加入金纳米结构可使器件的短路电流和能量转换效率得到提高。(?)加入到PEDOT:PSS层与活性层之间的金纳米棒增强了器件对光的吸收和散射,实验器件受到了金纳米棒的局域表面等离激元共振(LSPR)效应和散射效应的作用,其外量子效率分别在500-670nm和370-410nm区域内得到了增强。相对于参考器件,实验器件的短路电流和能量转换效率分别提高了9.1%和7.6%。(?)将金纳米球溶胶分别混入PEDOT:PSS和乙醇当中,制备了三种不同的掺入金纳米球的光伏器件。相对于参考器件,这三种器件的短路电流均得到提高,能量转换效率最大相对提高了7.7%。令将以ITO为基底的金纳米团簇制备成P3HT:ICBA太阳电池,加入金纳米团簇平均直径为25nm的器件的短路电流和能量转换效率分别提高了7.7%和7.5%。3利用瞬态光电流测试方法对两种金纳米球增强性能的器件和参考器件进行了分析,并讨论了金纳米球对载流子俘获／释放过程的影响。(?)证实了金纳米球的LSPR效应和散射作用可以增加光生载流子,但是光生载流子传输受到活性层中束缚电荷的影响,使器件的短路电流受到限制,该影响导致金纳米球的增强效果大大减弱。(?)计算了瞬态光照结束之后释放的电量,发现带有金纳米球的两种器件在三种光源下均释放出相对较少的电量,表明实验器件中存在的是深陷阱,相对于参考器件的浅陷阱,实验器件中被俘获的电荷释放较慢。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-8
ABSTRACT  8-10
序  10-14
1 引言  14-42
  1.1 表面等离激元研究背景  14-15
  1.2 纳米颗粒的等离激元效应  15-24
    1.2.1 纳米颗粒中的等离激元  15-18
    1.2.2 尺度影响  18-20
    1.2.3 粒形影响  20-21
    1.2.4 周围媒介影响  21-22
    1.2.5 纳米颗粒之间的影响  22-23
    1.2.6 模型与计算  23-24
  1.3 聚合物太阳电池研究背景  24-34
    1.3.1 太阳电池研究背景  25-26
    1.3.2 太阳电池的分类  26-28
    1.3.3 聚合物太阳电池的工作原理  28-30
    1.3.4 聚合物太阳电池的主要参数  30-32
    1.3.5 聚合物太阳电池的国内外研究现状  32-34
  1.4 等离激元在聚合物太阳电池中的应用  34-42
    1.4.1 等离激元增强太阳电池的目的和原理  35
    1.4.2 等离激元增强聚合物太阳电池的研究进展  35-40
    1.4.3 等离激元在聚合物太阳电池中的应用前景  40-42
2 金纳米颗粒的制备  42-60
  2.1 化学液相两步法合成金纳米颗粒  42-46
    2.1.1 实验材料及表征方法  43
    2.1.2 金纳米棒的合成方法及表征  43-45
    2.1.3 金纳米球的合成方法及表征  45-46
  2.2 脉冲激光制备金纳米团簇  46-58
    2.2.1 实验材料及表征方法  47-48
    2.2.2 ITO为基底脉冲激光制备金纳米团簇  48-58
  2.3 本章小结  58-60
3 金纳米颗粒增强聚合物太阳电池  60-80
  3.1 金纳米棒增强P3HT/PCBM聚合物太阳电池  60-65
    3.1.1 实验材料  60
    3.1.2 器件制备与测试  60-61
    3.1.3 实验结果与讨论  61-65
  3.2 金纳米球增强P3HT/PCBM聚合物太阳电池  65-71
    3.2.1 器件制备与测试  65-66
    3.2.2 实验结果与分析  66-71
  3.3 激光制备金纳米团簇增强P3HT/ICBA聚合物太阳电池  71-77
    3.3.1 实验材料  71
    3.3.2 器件制备与测试  71-72
    3.3.3 器件中加入金膜的实验结果与分析  72-73
    3.3.4 器件中加入金纳米团簇的实验结果与分析  73-77
  3.4 本章小结  77-80
4 金纳米球增强聚合物太阳电池的瞬态光电流特性研究  80-94
  4.1 器件的制备和测试  80-82
    4.1.1 实验材料  80-81
    4.1.2 器件的制备  81
    4.1.3 器件的测试  81-82
  4.2 实验的结果与分析  82-93
    4.2.1 器件的稳态性能分析  82-85
    4.2.2 器件的瞬态光电流特性分析  85-93
  4.3 本章小结  93-94
5 结论  94-96
参考文献  96-106
作者简历  106-110
学位论文数据集  110

金纳米颗粒等离激元增强聚合物太阳电池

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