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表面及界面层光管理提高聚合物太阳能电池性能的研究

【摘要】:随着我国人口不断增加,面对目前严峻的环境污染问题,天然气、煤和石油等传统不可再生能源已不能满足当今经济飞速发展的需要和人们对“绿水青山”生态环境的需求。太阳能由于来源广泛没有地域限制、清洁无污染、取之不尽等优势成为最为理想的新能源。随着科技的不断发展,可通过溶液处理的聚合物太阳能电池作为可再生清洁能源由于具有成本低、质量轻、材料可调节、便于大面积制备等优势在众多光伏电池中异军突起,成为科研工作者热衷的研究对象。尽管目前无论是单节还是级联结构聚合物太阳能电池的光电转换效率都已达到14%,但是聚合物半导体材料由于存在吸收光谱窄、载流子迁移率低、激子扩散长度短等固有的缺点为进一步提高电池效率造成了阻碍。因此,为了最大程度收集电荷和尽可能减少复合损失,体异质结聚合物太阳能电池的活性层最佳厚度通常被限制在几百纳米左右。然而,尽管聚合物材料具有高吸收系数,但是如此薄的活性层在其带隙并不能完全吸收入射光。因此对于想要获得高效率聚合物太阳能电池最大的挑战就是在充分的光吸收(需要较厚活性层)和有效的光生电荷收集(需要较薄活性层)之间权衡。围绕这一问题,本论文利用适当的光管理结构,在不改变优化的活性层厚度情况下提高光吸收效率。对于不透明太阳能电池,在界面层引入Cu纳米粒子,通过表面等离子体共振效应促进活性层光吸收效率。同时为了拓展聚合物太阳能电池商业化应用范围,还研究了可用于集成建筑光伏玻璃窗的半透明电池。为了解决透过率和转换效率之间的矛盾,设计了半透明电池表面光匹配层-光子晶体(O-P)结构,在利用光子晶体禁带高反射特点的同时,优化光匹配层厚度,在保证光透过率的同时提高半透明电池效率。最后结合界面层和表面两种光管理结构单元,制备了高效率,高显色指数的半透明聚合物太阳能电池。本论文主要研究成果如下:首先,我们设计一种在界面层通过热蒸镀法制备粒径可控制的Cu纳米粒子光管理结构。得益于Cu和WO_3两种材料表面能之间巨大的差异,在阳极缓冲层WO_3表面可以形成均匀分布的孤岛状Cu纳米粒子,通过入射光诱导产生局域表面等离子体共振效应。实验中对电池的稳态光致发光谱和透射谱的表征,两种结果同时证明了界面层引入Cu纳米粒子可以有效促进激子产生效率和提高太阳能电池P3HT:ICBA活性层光吸收。通过对器件复阻抗的测量发现Cu纳米粒子还可以提高电池的电荷传输能力降低电池电阻。短路电流密度和IPCE测试结果表明Cu纳米粒子可以使380-610 nm波段有效拓宽和提高,得到最佳3 nm厚度的Cu纳米粒子电池的光电转换效率为6.38±0.18%明显高于对比电池效率4.65±0.14%。然后,在半透明太阳能电池表面设计一种由光匹配层和光子晶体共同构成的表面O-P结构。设计与活性层P3HT:ICBA吸收峰相匹配的510 nm中心波长5周期光子晶体。实验结果表明在半透明电池表面和光子晶体中间插入光匹配层MoO_3后,IPCE曲线随着MoO_3厚度的增加而被拓宽和提高,并且峰值产生明显红移现象。与0 nm单纯光子晶体器件相比,当MoO_3为80 nm时半透明太阳能电池的转换效率从4.03±0.14%提高到4.93±0.14%。此外,80 nm光匹配层半透明电池的平均可见光透过率达到26.10%,可以满足光伏建筑窗户的需求。此外,通过传输矩阵模型TMM理论模拟结果表明光匹配层的存在可以有效调节入射光的反射相移致使半透明电池的光电场强度重新分布,确保活性层光吸收显著增加,且计算模拟结果与实验结果相一致。这种表面O-P结构光管理办法为改善半透明太阳能电池效率和光透过率之间的矛盾提供了良好的解决方案。最后,将光源研究中的显色特性与半透明聚合物透明电池相结合,探索提高PTB7-Th:PC_(71)BM半透明器件效率和显色指数。首先,利用材料表面能差异通过热蒸镀法成功的将两种Ag/Au纳米粒子引入阳极缓冲层中,降低器件电阻并通过局域表面等离子体共振效应在最大程度提高半透明电池转换效率。结果表明17±1.2 nm Ag和8±0.5 nm Au纳米粒子电学性能最佳,半透明电池的光电转换效率从5.50±0.15%提升至7.15±0.17%。然后,在优化Ag/Au纳米粒子半透明电池的表面覆盖2周期光子晶体,达到拉平和提高半透明电池透射光谱的效果。通过调节光子晶体中心波长,在AM 1.5G光源辐射下得到最佳颜色特性半透明聚合物太阳能电池,最佳显色指数为95,最小色差为0.0025,最接近于参考光源的相关色温5340 K,平均可见光透过率为20.38%,同时该电池的光电转换效率达到7.07±0.16%。结果说明这种结合半透明太阳能电池在界面层和表面双重光管理方法可以为集成建筑光伏窗户的商业化应用提供有效的技术支持。

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