银纳米光栅增强超薄有机太阳能电池光吸收性能的研究

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有机太阳能电池(Organic Solar Cells，OSCs)作为一种清洁可再生能源对大规模利用太阳能、提供廉价电能具有重要意义，但光电转化效率低是制约其应用的关键因素之一。过去的大量研究表明，在OSCs中植入周期为几百纳米的贵金属光栅，有效地提高了活性层的光吸收，成为提高OSCs光电转化效率的有效技术之一。但对周期小于100nm的金属光栅结构的研究甚少。基于此，本文提出在P3HT∶PCBM体系的有机太阳能电池中，引入具有极小周期(20 nm)的银纳米光栅结构，理论上研究了该光栅对有机太阳能电池光吸收性能的影响。另外，也有研究指出，当银纳米光栅结构直接与太阳能电池的活性层接触，虽然有利于提高OSCs的光吸收，但也导致了金属表面处载流子的复合损失、激子的淬灭损失，这对OSCs光电转化效率的提高是不利的。基于此，在上述研究的基础上，进一步提出包覆型银纳米光栅结构，理论上研究了该光栅结构对有机太阳能电池光吸收性能的影响。该研究将对高效OSCs的研发具有重要指导意义。主要结论如下:
　　1、首先，在P3HT∶PCBM体系的OSCs中，本文研究了具有极小周期的银纳米光栅对有机太阳能电池活性层光吸收性能的影响。研究得出:
　　(1)光栅的几何参数变化主要影响银纳米光栅之间热点效应的产生及其强弱，而且光栅宽度比高度变化对活性层光吸收的影响更为明显。
　　(2)具体地，当h=30 nm时，在混合模式下活性层的总吸收效率可以达到47.90％，比等效平板结构增加了36.50％，而活性层的等效厚度仅为24.5 nm，实现了超薄活性层的强吸收效果。特别在TM模式下，总吸收效率相比于等效平板结构提高了102％。另外，该结构呈宽谱、广角吸收特性。当h=8nm时，热点效应的强电场作用由于光栅高度的降低而明显削弱，其光吸收的提高主要是依靠活性层有效厚度的增加。
　　2、结合上述研究，本文利用介质材料包覆光栅从而提出包覆型银纳米光栅的核壳结构，避免激子在金属银/聚合物界面的淬灭。研究得出:
　　(1)对无损耗介质作为包覆材料的核壳结构研究结果如下:
　　介质包覆材料不会影响银纳米光栅之间热点效应的激发，同时总吸收效率会有所提升，主要是因为在TE模式下，活性层光吸收受到的抑制作用减弱，而且介质包覆材料的折射率越大抑制作用越弱。但热点效应仍是电池光吸收增强的主要因素。
　　(2)对ZnO和TiO2作为具体介质包覆材料的核壳结构研究结果如下:
　　当h=30nm时，ZnO-Ag核壳结构在混合模式下总吸收效率可以达到43.63％，相对于活性层厚度为20.5 nm的等效平板结构，提高了57.68％。相对的，TiO2-Ag核壳结构的吸收特性类似于ZnO-Ag核壳结构，两者在混合模式下总吸收效率只相差了0.29％，并且均呈广角吸收特性。当h=8 nm时，TiO2-Ag、 ZnO-Ag核壳银纳米光栅对活性层的光吸收影响甚微。

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作者
王文艳;
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作者单位

太原理工大学;

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授予单位太原理工大学;
学科凝聚态物理
授予学位硕士
导师姓名郝玉英;
年度 2014
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类太阳能电池;特种结构材料;
关键词
银纳米光栅; 光增强; 有机太阳能电池; 热点效应; 表面等离子体; 光吸收性能;

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