银纳米颗粒表面等离子体增强有机太阳能电池研究

摘要

到目前为止，单晶硅、多晶硅和非晶硅等无机太阳能电池占据了太阳能电池市场的主要地位。但它们有着工艺复杂、价格昂贵、材料要求苛刻等一些缺点，这使得人们寻找可以代替硅基无机半导体的廉价替代品。近年来，易于加工、成本低廉的有机太阳能电池的研究已经成为一个热点，并取得长足的进展，逐渐应用在现实生活中。进一步开发稳定性好、转换效率高、寿命长、成本低的有机太阳能电池是今后研究的主要目标之一。但是由于有机太阳能电池特殊的薄膜结构以及有机半导体的特性，有机太阳能电池的光吸收效率普遍较低，这严重的制约了有机太阳能电池性能的提高。
　　 目前研究已证实，纳米金属颗粒在光照下的表面等离子体共振效应是提高有机太阳能电池光吸收效率的有效途径。本文结合当前研究进展以及实验室条件，对纳米金属岛状薄膜的光电性能以及其对有机半导体薄膜光吸收效率的增强作用进行了研究，主要在以下两个方面进行了探索：
　　 (1)利用磁控溅射在室温条件下制备了银岛状薄膜，通过分析薄膜的吸收光谱，初步确定了沉积时间、沉积功率等。然后在确定的沉积时间、沉积功率的基础上研究了衬底温度对于银岛状薄膜光电性能的影响。通过分析吸收光谱，发现在200℃下制备的薄膜在太阳光谱能量最集中的区域(500nm)附近出现了较高的共振吸收。通过AFM显微镜分析了衬底温度对薄膜形貌的影响，发现在较低的温度，200℃以下，随着衬底温度的升高，岛状薄膜的颗粒密度迅速增加，颗粒尺寸不断减小。当衬底温度升高到300℃时，银岛状薄膜主要由在X-Y平面内具有较大尺寸的扁平颗粒组成。我们推测在200℃下制备的银岛状薄膜应具备最强的转换太阳光的能力。
　　 (2)为了验证以上的推论，我们制备了酞菁铜肖特基太阳能电池，其中CuPC的厚度为100nm，银电极的厚度为50nm。我们分别研究银岛状薄膜的加入对酞菁铜薄膜的光吸收效率、光敏性以及Ⅳ特性的影响。发现由于银岛状薄膜的加入，整个器件的光吸收效率有明显的提高。进一步通过测量器件的光敏性证实：银岛状薄膜的加入对酞菁铜薄膜的光敏性有明显影响，其中在200℃下制备的银岛状薄膜的增强作用最为显著。最后测量了器件在光照下的Ⅳ特性，发现由于银岛状薄膜的加入，肖特基电池的开路电压均有明显的下降，由在室温、100℃以及300℃下制备的银岛状薄膜修饰的器件的短路电流低于无修饰的器件，而由在200℃下制备的银岛状薄膜修饰的器件的短路电流达到了无修饰器件的1.3倍。