表面等离子体增强在石墨烯基新型太阳能电池中的应用

摘要

随着经济的快速发展以及传统能源的日益枯竭，使得人们越发关注新能源的开发及利用;太阳能作为一种清洁能源被认为是传统能源的最佳替代者。相对于传统硅基太阳能电池，染料敏化太阳能电池以其工艺简单、价格低廉、环境友好等优点引起研究者的广泛关注。然而，传统染料敏化电池的商业化应用仍然受到一些设计及技术因素的制约。首先，传统染料敏化太阳能电池有液态有机电解液，其流动性会严重影响电池的使用寿命，而且复杂的电解质系统会增加封装的成本，影响电池的稳定性以及安全性。其次，常用的透明电极如氧化铟锡、氧化氟锡的成本较高而且不适合用于柔性光伏器件。再次，传统染料敏化太阳能电池中的分子厚度过大时，被激发后容易引起辐射复合、缺陷复合等其他损耗降低了染料敏化电池的能量转换效率。另一方面，较薄的活性层会使得光吸收减少，而造成光电转换效率很难提升。
　　针对这些传统染料敏化电池应用中制约性因素，本论文主要围绕如何提高太阳能电池的光电转换性能为主题，利用金属纳米颗粒的表面等离子体共振增强机理，借助石墨烯超高的载流子迁移率以及极高的透光性等优势，设计及制备新型的固态太阳能电池;同时在有限时域差分软件(FDTD)中构建器件的物理模型，从理论角度深入研究电荷及能量在表面等离子体纳米颗粒、导和与石墨烯界面处的传输机理，分析所研究体系中太阳能电池光电性能的影响因素。主要的研究内容分为以下三个方面:
　　1、利用石墨烯单原子层所具有的一些优势如透光性、载流子迁移率等优势，用石墨烯来代替传统染料敏化电池复杂的电解质及对电极，依次通过背电极、宽禁带半导体、染料敏化分子层、石墨烯层以及金属纳米颗粒层的叠层排列，构建一种全新的结构紧凑集约型固态染料敏化太阳能电池。选用传统染料敏化电池常用的钌配位Z907染料分子，以单晶二氧化钛作为半导体，在其背面蒸镀低功函的铟与银合金作为背电极，并通过蒸镀8nm金、银合金膜退火形成的纳米颗粒作为表面等离激元来提高太阳能电池的光电转换性能。
　　通过不同成分表面等离子激元颗粒的光电转换性能以及物理表征进行具体分析，探索其所引起的太阳能电池的性能变化的原因，同时在FDTD软件中依照所设计的固态染料敏化太阳能电池结构建立物理模型，结合电池器件设计原理分析金属纳米颗粒所产生的表面等离子体共振增强能量，如何汇聚到石墨烯与半导体层界面处，进而激发吸附在二氧化钛表面的染料分子，提高太阳能电池的光电转换效率;从理论上丰富和完善所设计的表面等离子增强固态染料敏化太阳能电池的作用机理。
　　2、通过交替蒸镀不同厚度的合金膜，退火形成不同粒径大小的纳米颗粒，参考之前设计的固态染料敏化太阳能电池工艺制备器件，测试表面等离子体纳米颗粒粒径对光电转换性能的影响。对比不同的合金膜厚度所制备电池器件的光电转换效率，并深入分析影响电池性能的纳米颗粒相关因素;同时参考不同厚度合金膜SEM表征所测试出的颗粒粒径及间距，在FDTD软件中建立合金不同粒径大小的物理模型，从理论角度定量分析纳米颗粒的大小及彼此之间的间距对石墨烯和二氧化钛界面的能量分布的影响原因，进而探讨颗粒粒径对电池器件光电转换性能的影响。
　　3、选用典型的荧光类分子吖啶橙作为光激发染料，将其通过蒸镀组装到石墨烯上，并组装与之吸光度曲线相匹配的银纳米颗粒，构建原子级别接触的Ado+NPs/Gr/TiO2三元界面，制备出一种表面等离子增强的选择性隧穿太阳能电池。通过对比有无添加银纳米颗粒在电池器件的光电转换性能测试结果，表明银纳米颗粒所引发的表面等离子体共振增强能够激发吸附在其周围的吖啶橙分子，进而有效提高其在对应波段的光电转换效率。因为这个体系的吖啶橙分子是组装在器件的最外层，本文研究了不同厚度的吖啶橙分子对电池器件性能的影响，并结合其光学表征对电子和能量在选择性隧穿太阳能电池的三元界面处的传输理论进行了深入探讨;同时运用FDTD软件构建太阳能电池的Ado+NPs/Gr/TiO2三元界面物理模型，从理论角度简要分析随着厚度的增加对电池器件的整体性能所产生影响的原因。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 染料敏化太阳能电池的结构以及工作原理

1．2．1 染料敏化太阳能电池的组成结构

1．2．2 染料敏化电池的工作原理

1．2．3 描述染料敏化太阳能电池性能的光伏参数

1．3 新型结构太阳能电池的研究现状

1．4 基于石墨烯的光电功能器件

1．4．1 石墨烯的基本性能概述

1．4．2 石墨烯的晶体结构

1．4．3 石墨烯的能带结构

1．4．4 石墨烯的电学性质

1．4．5 石墨烯的光学性质

1．4．6 石墨烯的制备方法

1．4．7 石墨烯在光电器件中的应用

1．5 金属纳米结构表面等离子激元

1．5．1 表面等离激元的概念及分类

1．5．2 局域表面等离激元

1．5．3 影响金属颗粒表面等离体子特性的几种因素

1．5．4 表面等离子体在光伏器件中的进展及应用

1．6 本论文的研究目的、意义、内容和创新点

1．6．1 本论文的研究目的、意义

1．6．2 本论文的研究内容

1．6．3 本论文的创新点

第二章 太阳能电池实验样品制备与研究方法

2．1 主要实验材料与仪器

2．1．1 实验仪器

2．1．2 实验材料

2．2 太阳能电池实验样品制备

2．2．1 化学气相沉积法制备石墨烯

2．2．2 在生长完好的石墨烯样品上组装金属纳米颗粒

2．2．3 在处理好的单晶二氧化钛上组装Z907分子

2．2．4 在生长完好的石墨烯样品上组装吖啶橙分子

2．3 太阳能电池相关样品表征

2．3．1 生长完好的石墨烯的光学图片

2．3．2 石墨烯的拉曼表征

2．3．3石墨烯的透光率

2．3．4 二氧化钛单晶的表面平整度表征

2．3．5 二氧化钛单晶半导体透光率的表征

2．3．6 二氧化钛单晶与石墨烯肖特基势垒的测试表征

2．4 测试及表征仪器

2．4．1 紫外可见吸收光谱

2．4．2 扫描电子显微镜

2．4．3 透射电子显微镜

2．4．4 原子力显微镜

2．4．5 拉曼光谱仪

2．5 金属纳米颗粒的表面等离激元电磁模拟研究

2．5．1 金属纳米颗粒的表面等离激元模型基础

2．5．2 时域有限差分法的基本原理

2．5．3 金属的介电常数

2．5．4 金属纳米颗粒与光的相互作用

2．6 本章小结

第三章 表面等离子体增强在固态染料敏化太阳能电池中的应用

3．1 引言

3．2 固态染料敏化太阳能电池结构

3．3 固态染料敏化太阳能电池作用机理

3．4 纯金纳米颗粒在固态染料敏化太阳能电池的性能测试

3．4．1 纯金纳米颗粒在固态染料敏化太阳能电池的形貌表征

3．4．2 纯金纳米颗粒在固态染料敏化太阳能电池的光学性能表征

3．4．3 纯金纳米颗粒在固态染料敏化太阳能电池的光电性能测试

3．5 纯银纳米颗粒在固态染料敏化太阳能电池中的应用

3．5．1 纯银纳米颗粒在固态染料敏化太阳能电池的性能测试

3．5．2 纯银纳米颗粒在固态染料敏化太阳能电池的光学性能表征

3．5．3 纯银纳米颗粒在固态染料敏化太阳能电池的光电性能测试

3．5．4 组装在石墨烯上的纯银纳米颗粒随时问变化的物理表征

3．5．5 纯银纳米颗粒组装的太阳能电池在空气中放置120天前后的光电性能对比

3．6 合金纳米颗粒在固态染料敏化太阳能电池的应用

3．6．1 合金纳米颗粒在固态染料敏化太阳能电池的形貌表征

3．6．2 合金纳米颗粒在固态染料敏化太阳能电池的光学性能表征

3．6．3 合金纳米颗粒在固态染料敏化太阳能电池的光电性能测试

3．6．4 组装在石墨烯上的合金纳米颗粒随时间变化的物理表征

3．6．5 合金纳米颗粒组装的太阳能电池在空气中放置120天前后的光电性能对比

3．7 表面等离激元增强在染料敏化太阳能电池的机理分析

3．8 本章结论

第四章 金属纳米颗粒大小对固态染料敏化电池的影响

4．1 引言

4．2 不同厚度合金膜形成不同粒径大小金属纳米颗粒的制备

4．3 不同厚度合金所形成纳米颗粒的表征

4．2 不同厚度合金膜所形成纳米颗粒的吸光度分析

4．3 不同厚度合金膜所形成纳米颗粒的固态染料敏化太阳能电池光电性能研究

4．3．1 8 nm合金膜所形成纳米颗粒的固态染料敏化太阳能电池在无光条件下的电流-电压曲线

4．3．2 不同厚度合金膜所形成纳米颗粒的固态染料敏化太阳能电池在光照条件下的电流-电压曲线

4．4 不同光照强度下的8 nm合金膜所形成纳米颗粒制备固态染料敏化太阳能电池的光电性能

4．5 纳米金属颗粒表面等离激元增强与界面能量汇聚的电磁模拟

4．6 本章小结

第五章 表面等离子体增强在选择性隧穿太阳能电池的应用

5．1 引言

5．2 金属纳米颗粒在选择性隧穿太阳能电池中的器件结构

5．3 表面等离子体子体增强在选择性隧穿太阳能电池的工作原理

5．4 金属纳米颗粒在选择性隧穿太阳能电池的制备工艺

5．5 吖啶橙分子组装在选择性隧穿太阳能电池的性能测试

5．5．1 吖啶橙分子染料的光学性能表征

5．5．2 在选择性隧穿太阳能电池上组装1 nm吖啶橙分子的光电性能

5．6 金属纳米颗粒组装在选择性隧穿太阳能电池的性能测试

5．6．1 组装有纯银纳米颗粒与吖啶橙分子的光学表征

5．6．2 组装有纯银纳米颗粒与吖啶橙分子的选择性隧穿太阳能电池的光电性能

5．7 不同厚度的吖啶橙染料分子对表面等离激元增强选择性隧穿太阳能电池器光电转换性能的影响

5．7．1 不同厚度吖啶橙分子染料在组装有银纳米颗粒的石墨烯上的吸光度性能

5．7．2 不同厚度吖啶橙分子染料在组装有银纳米颗粒的选择性隧穿太阳能电池的电流-电压性能

5．7．3 不同厚度吖啶橙分子染料在组装有银纳米颗粒的选择性隧穿太阳能电池单色光的光电转换性能

5．8 表面等离子体共振增强在选择性隧穿电池的器件的界面电磁模拟分析

5．9 本章小结

结论和展望

参考文献

攻读学位期间发表的文章

声明

致谢