Cu-Au纳米颗粒的制备表征及表面等离子增强有机光伏器件的研究

摘要

由于出色的光学性质和电学性质，金属纳米颗粒在有机太阳能电池中一直受到广泛的关注。贵金属纳米颗粒以及纳米结构的局域表面等离子共振效应可以提高活性层中的电磁场强度，促进了活性层的光子吸收，产生更多激子。此外，金属纳米颗粒以及纳米结构还可以散射入射光使其产生更长的传播路径。因此，金属纳米颗粒的尺寸、形状、掺杂浓度等因素对光伏器件的光吸收性能产生主要影响，因而具有非常重要的研究价值和意义。
　　金纳米颗粒在较宽的可见光波长范围具有更好的稳定性和更广泛的局域表面等离子激元共振（LSPR）特性。铜纳米晶具有良好的导电性能，在可见光范围内的局域表面等离子共振吸收较宽，在光学上具有较大的应用潜能，同时其价格相对于金银来说更便宜。但是铜纳米颗粒容易被氧化，于是我们尝试在铜颗粒表面还原出金壳层，从而获得更宽的吸收范围、更稳定、价格更低的纳米核壳结构。利用X-射线衍射（X-ray Diffraction）、扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope）、透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope）、紫外-可见光谱（UV-visSpectrum）、能谱仪（Energy Dispersive Spectrometer）对材料进行表征，结果表明大部分铜-金纳米颗粒为核壳结构，其特征吸收峰在640 nm左右，并且吸收峰变得更宽，显示出良好的吸收特性。
　　为了提高活性层光吸收强度，降低器件串联电阻，我们将制备出来的铜-金纳米颗粒的N-甲基吡咯烷酮溶液与PEDOT:PSS以不同比例混合，制备有机光伏器件，测试器件的光伏参数以及其它相关表征。通过原子力显微镜（Atomic Force Microscope）、透射光谱（Transmittance Spectra）、紫外-可见吸收光谱（UV-vis Spectrum）等方法表征说明掺杂铜-金纳米颗粒器件的光吸收得到增强，空穴传输层的形貌有了一定程度的变化。器件在掺杂0.88 wt％铜-金纳米颗粒最优条件下的效率提升了13.4%（P3HT:PC61BM器件，从3.20%提升到3.63%），Jsc提升了32%（从8.24 mA?cm-2提升到10.91 mA?cm-2）。同时将最优条件应用到PTB7-Th:PCBM体系，得到了同样的提升效果。PTB7-Th:PC61BM器件的平均PCE从6.51%提高到7.13%，提高了9.5%，Jsc提升了18%（从13.13mA?cm-2提升到15.50 mA?cm-2）。PTB7-Th:PC71BM器件从7.53%提高到8.48%，提高了12.6%，Jsc提升了22%（从14.55 mA?cm-2增加到17.78 mA?cm-2）。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 有机太阳能电池的结构

1.3 有机太阳能电池的工作机理

1.4 有机太阳能电池的主要性能参数

1.5 表面等离子增强有机太阳能电池技术

1.6 选题依据及研究内容

参考文献

第二章 金属纳米颗粒的制备及其性能研究

2.1 引言

2.2 实验与测试

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

参考文献

第三章 Cu-Au NPs表面等离子增强有机光伏器件的制备

3.1 引言

3.2 实验与测试

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

参考文献

第四章 Cu-Au NPs表面等离子增强有机光伏器件的机理研究

4.1 引言

4.2 实验与测试

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

参考文献

第五章 全文总结与展望

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文

致谢