银纳米颗粒对聚合物太阳能电池性能影响的研究

摘要

聚合物太阳能电池具有材料来源广泛且价格低廉、生产工艺相对简单、可以大面积制造等优点，同时制备聚合物太阳能电池的手段日益成熟，这使得聚合物太阳能电池成为目前该领域的研究热点之一。然而，聚合物太阳能电池的能量转换效率较低，很难达到工业生产的程度，主要原因就在于聚合物太阳能电池的活性层较薄，一般就只有几十纳米，很难有效地吸收入射光，限制了其能量转换效率的提高。
　　将金属纳米颗粒掺入到聚合物太阳能电池中，利用其激发的表面等离激元效应，可以增强器件对入射光的吸收，改善其性能。本文就是基于这一理论，在P3HT：PCBM体系的聚合物太阳能电池中，引入银纳米颗粒，研究其对聚合物太阳能电池性能的影响。主要结论如下：
　　1.将粒径为50 nm的银纳米颗粒掺入到PEDOT：PSS中，得到不同的质量百分比，并与其一起旋涂作为器件的阳极修饰层。当银纳米颗粒的质量百分比为0.1％，器件的性能最优，短路电流达到6.72 mA/cm2，能量转换效率达到1.71％。另外，吸收光谱和外量子效率的研究表明，掺入银纳米颗粒以后，器件对入射光的吸收增加。
　　2.将粒径分别为4 nm、10 nm和20 nm的银纳米颗粒掺入到P3HT和PCBM的混合溶液中，质量百分比都为0.1％，一起旋涂，作为器件的活性层。实验中发现，不同粒径的银纳米颗粒对有机太阳能电池的影响是不同的。随着粒径的增大，其对器件影响的程度增大，当银纳米颗粒的粒径是20 nm时，器件的性能最优，短路电流达到6.55 mA/cm2。
　　3.为了更深入地研究银纳米颗粒对有机太阳能电池的影响，我们将银纳米颗粒掺入到器件中的不同位置，设计出不同结构的聚合物太阳能电池。结果发现：当银纳米颗粒与聚合物太阳能电池的活性层充分接触，而又不破坏其形貌的情况下，能够有效地改善有机太阳能电池的性能。