硅纳米粒子的功能化及其在聚合物太阳能电池中的应用

摘要

有机薄膜太阳能电池材料具有来源广、质量轻、易加工等优点，但也存在着效率低、寿命短、载流子迁移率低等缺点。硅纳米材料被认为是最重要的半导体和最佳电子材料，它具有无毒、带隙可调、迁移率高等优点。实施有机半导体材料与硅纳米材料的复合，则有望兼顾二者的优势，改进有机太阳能电池的光电性能。同时，为了改善有机半导体材料本身的一些缺点，我们拟将能级可调的有机半导体材料接枝到硅纳米粒子表面，研究有机半导体分子修饰硅纳米粒子以实现其功能化的新途径，并探索其在太阳能电池等领域的应用。具有重要的科学意义和潜在应用价值。 论文第一章综述了有机太阳能电池的工作原理、器件结构以及有机太阳能电池的研究进展。同时对硅纳米材料的制备与表面修饰以及在有机太阳能电池中的应用进行了综合评述。 第二章，合成了四噻吩(3，3'''-didodecylquaterthiophene(QT)）包覆的硅纳米粒子。H1-NMR表征结果表明四噻吩基团通过Si-C键与粒子表面相接;紫外和荧光表征中出现的红移现象表明了二者之间存在相互作用，出现了硅纳米粒子与四噻吩之间的能量传递;通过表面光电压谱表征证实其为P型半导体，并与PCBM共混的器件的光伏性能好于四噻吩与PCBM共混的体系。 第三章，通过一步法合成制备水溶性胺基修饰的硅纳米粒子。该硅纳米粒子能够很好地分散于水中形成透明的水溶液。研究表明SiNP-NH2能够掺杂共轭聚合物PEDOT∶PSS，改进PEDOT∶PSS的相分离，进而提高其导电性能，从而更好地将活性层产生的电荷导出，减少电荷在PEDOT∶PSS被缺陷捕获的几率;同时硅纳米粒子的加入也提高了导电薄膜的表面粗糙度，适当的粗糙度有助于PEDOT∶PSS与活性层间形成良好接触，增大接触面积，从而能够更好地收集活性层中产生的电荷。良好的电荷传输和电荷收集，提高了聚合物太阳能电池的短路电流及光电转换效率。 第四章中，研究了硅纳米晶作为活性层第三组分掺杂的聚合物太阳能电池。通过添加少量的SiNCs到MEH-PPV/PCBM溶液体系中，旋涂得到含有不同 SiNCs量的活性层薄膜。研究表明，在活性层处引入很少的（如1.0％）SiNCs即可以显著提高太阳能电池的光伏性能。通过优化SiNCs的含量(2.5％)，使得器件的光电转换效率比掺杂前提高了18％。初步研究表明，器件性能的提高可能主要来源于硅纳米晶加入时引入的额外激子分离界面以及对薄膜形貌的适度改善。 论文第五章，我们通过将色谱柱提纯的方法引入到硅纳米粒子的制备中，纯化得到了粒径分布窄、空气稳定的硅纳米粒子。研究发现，当用310 nm波长的光激发时，硅纳米粒子的荧光量子产率高达64.1％;其在发光二极管(LED)中具有潜在的应用。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．1 有机太阳能电池的原理和结构

1．1．1 有机太阳能电池的工作原理

1．1．2 有机太阳能电池的器件结构

1．2 有机太阳能电池的研究进展

1．2．1 材料设计制备

1．2．2 形貌优化

1．2．3 电极界面工程

1．2．4 器件结构设计

1．3 硅纳米粒子的制备及在太阳能电池中的应用

1．3．1 硅纳米粒子的制备及表面修饰

1．3．2 硅纳米粒子在太阳能电池中的应用

1．4 表面光电压谱

1．4．1 SPS测试原理

1．4．2 SPS在半导体领域的应用

1．5 课题的提出及意义

2 噻吩基团功能化硅纳米粒子及应用

2．1 引言

2．2 单噻吩包覆的硅纳米粒子的制备及表征

2．2．1 溶液法合成单噻吩修饰的硅纳米粒子

2．2．2 溶液法合成四噻吩修饰的硅纳米粒子

2．3 四噻吩包覆的硅纳米粒子的光学特性及机理研究

2．3．1 紫外-可见吸收光谱的研究

2．3．2 荧光光谱研究

2．3．4 能量转移机理

2．4 SPS对四噻吩包覆的纳米粒子的表征

2．5 SiNPs-QT×8杂化太阳能电池性能研究

2．5．1 薄膜太阳能电池的制备及测试

2．5．2 作为给体材料的光伏性能

2．5．3 作为受体材料的光伏性能

2．6 本章小结

3 水溶性硅纳米粒子的制备及对PEDOT∶PSS的掺杂

3．1 引言

3．2 水溶性硅纳米粒子的制备及表征

3．2．1 溶液法合成硅纳米粒子

3．2．2 硅纳米粒子的表征

3．3 水溶性硅纳米粒子对PEDOT∶PSS的掺杂及机理研究

3．3．1 PEDOT∶PSS／SiNP-NH2薄膜的制备

3．3．2 SiNP-NH2对PEDOT∶PSS薄膜性能的影响

3．3．3 SiNP-NH2对PEDOT∶PSS薄膜的掺杂机理

3．4 硅纳米粒子掺杂的PEDOT∶PSS在聚合物太阳能电池中的应用

3．4．1 聚合物太阳能电池器件的制备与测试

3．4．2 器件的性能研究

3．5 本章小结

4 硅纳米粒晶在聚合物太阳能电池的应用研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 材料与试剂

4．2．2 聚合物太阳能电池的制各

4．2．3 光伏性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 硅纳米晶对器件性能的影响

4．3．2 硅纳米晶影响器件性能的机理研究

4．4 本章小结

5 高荧光量子产率硅纳米粒子的制备

5．1 引言

5．2 硅纳米粒子的合成

5．2．1 实验原料

5．2．2 一步法合成丁基钝化的硅纳米粒子

5．3 丁基包覆硅纳米粒子的纯化与表征

5．3．1 丁基包覆硅纳米粒子的纯化

5．3．2 丁基硅纳米粒子的表征

5．4 本章小结

6 主要结论及创新点

6．1 主要结论

6．2 创新点

参考文献

作者简历

攻读博士学位期间取得的科研成果