硅纳米孔/PEDOT：PSS混合异质结太阳能电池光伏性能的研究

【摘要】：社会的发展与人类文明的进步,必然需要大量的能源来支撑。当传统的化石能源逐渐满足不了人们需求时,科学家们转而研究可替代的再生能源。硅因其存储量大,无毒,制备工艺成熟等优点,被大量的用在太阳能电池领域。目前,全硅太阳能电池的光电转换效率相对较高,但其制造和使用成本相对较大。而新型的硅基-有机异质结太阳能电池结合了有机太阳能电池易加工、成本低的优点,也具有无机太阳能电池优异的光电性能而引起人们很大的兴趣。例如硅/PEDOT:PSS混合异质结太阳能电池,该电池可在常温下用低成本的全溶液法制备,通过几年的发展,其光电转换效率最高已达到了13.8%,具有较大的研究价值和应用前景。为了提高硅/PEDOT:PSS混合异质结太阳能电池的光电转换效率,进一步降低制造成本,很多人将硅纳米结构应用到硅/PEDOT:PSS混合异质结太阳能电池中。硅纳米结构有着优异的光吸收特性,从而可以有效的减少硅的使用量。同时,硅纳米结构有着更好的电荷分离能力,也可为异质结太阳能电池提供更大的结面积。基于上述考虑,本文从硅纳米孔/PEDOT:PSS异质结太阳能电池出发,探索改善其光电转换性能的方法。主要研究内容如下：一、采用的柠檬酸三钠还原法制备出银纳米颗粒,利用银纳米颗粒催化辅助刻蚀,全溶液法制备出硅纳米孔/银纳米颗粒复合纳米薄膜。通过SEM对薄膜形貌的表征,发现所制备的硅纳米孔垂直于硅片,排列比较整齐,银纳米颗粒嵌入到纳米孔底部。将硅纳米孔暴露在空气中进行表面进行钝化,在其表面形成SiOx-Si键后,采用旋涂法制备出硅纳米孔/PEDOT:PSS混合异质结太阳能电池。通过测试分析太阳能电池的电流密度-电压(J-V)特性曲线和外量子效率(EQE)特性曲线我们发现,相比平面硅/PEDOT:PSS异质结太阳能电池,基于硅纳米孔的异质结太阳能电池光电转换效率从1.1%提高至2.4%,并且短路电流密度更是提高了近75%。而对硅纳米孔所制备的异质结太阳能电池表面钝化前后其光电转换效率(PCE)从4.8%提升至5.5%,短路电流密度从23.6mA/cm2增加到26.1mA/cm2。二、利用柠檬酸三钠还原法制备了直径约为50nm的金纳米颗粒,然后利用UV3600分光光度计测试了金、银纳米颗粒的局域表面等离激元共振吸收峰,结果显示金、银纳米颗粒的吸收峰分别在530纳米和460纳米左右。将金纳米颗粒混入PEDOT:PSS中,将混合溶液一起旋涂在硅纳米孔/银纳米颗粒薄膜表面。分析薄膜的光吸收谱可以发现,当金纳米颗粒与PEDOT:PSS的质量比达到0.5wt%时,薄膜对光的吸收效果最佳；同时,具有不同共振吸收峰的金属纳米颗粒可以拓宽薄膜对光的吸收峰。在波长600～1000纳米范围内,含有金纳米颗粒太阳能电池的EQE值要比不含金纳米颗粒的高,其光电转换效率从5.5%提高至6.1%,提高了27%。通过对比分析电池的J-V特性曲线、EQE特性曲线及薄膜的光吸收谱可以发现,引入具有不同光吸收峰的金属纳米颗粒,可以有效地提高太阳能电池的光电转化性能。因此,我们认为,改善异质结太阳能电池的光电转换性能可以通过以下两种方法：1、对硅纳米孔表面进行钝化减少纳米复合薄膜表面缺陷；2、利用金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振和光散射效应。 【关键词】：太阳能电池 硅纳米孔 PEDOT:PSS 表面钝化 局域表面等离激元共振
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-24
• 1.1 太阳能电池的发展及分类10-11
• 1.2 硅基太阳能电池的基础知识11-16
• 1.2.1 p-n结11-12
• 1.2.2 太阳能电池的基本原理12-13
• 1.2.3 太阳能电池的性能参数13-16
• 1.3 硅/PEDOT：PSS异质结太阳能电池16-17
• 1.4 提高硅/PEDOT：PSS异质结太阳能电池性能的一些方法17-18
• 1.4.1 利用硅纳米结构17
• 1.4.2 对硅纳米结构进行钝化处理17-18
• 1.4.3 在异质结太阳能电池中引入贵金属纳米颗粒18
• 1.5 本文的主要工作18-20
• 参考文献20-24
• 第二章 硅纳米孔/PEDOT：PSS混合异质结太阳能电池的制备及硅纳米孔表面钝化对其性能的影响24-35
• 2.1 引言24-25
• 2.2 硅纳米孔/PEDOT：PSS混合异质结薄膜太阳能电池的制备25-29
• 2.2.1 银纳米颗粒胶体的制备及PEDOT：PSS的准备25-26
• 2.2.2 硅纳米孔PEDOT：PSS混合异质结太阳能电池的制备26-29
• 2.3 硅纳米孔/PEDOT：PSS混合异质结薄膜太阳能电池的性能29-32
• 2.4 本章小结32-33
• 参考文献33-35
• 第三章 基于表面等离激元共振效应提高硅纳米孔/PEDOT：PSS异质结太阳能电池效率的研究35-46
• 3.1 引言35
• 3.2 局域表面等离激元35-37
• 3.3 金纳米颗粒的制备、表征及测试37-39
• 3.3.1 金纳米颗粒的制备与表征37-38
• 3.3.2 纳米颗粒共振吸收谱38-39
• 3.4 结果与讨论39-43
• 3.4.1 纳米复合薄膜的表征及测试39-41
• 3.4.2 混合异质结薄膜太阳能电池的性能测试分析41-43
• 3.5 本章小结43-45
• 参考文献45-46
• 第四章 总结与展望46-49
• 4.1 课题工作总结46-47
• 4.2 不足与展望47-49
• 硕士期间发表的论文及参加的学术会议49-50
• 致谢50-51

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