利用稀土上转换发光提高P3HT：PCBM体系聚合物太阳能电池性能

【摘要】：在当今能源紧张的时代,开发利用太阳能电池是解决能源问题的重要手段。聚合物太阳能电池因其材料来源广泛且价格低廉、制备工艺简单、可实现柔性大面积等优点,而受到了广泛关注。然而聚合物太阳能电池的效率低的问题一直没有得到很好的解决,其主要原因是电池的活性层材料对太阳光光谱的吸收不够,导致电池所能吸收利用的太阳能不足到达地面的太阳能的一半,从而限制了聚合物太阳能电池的最终的能量转换效率。 稀土上转换发光材料,可以将近红外光上转换为可见光发出,而稀土上转换材料加入聚合物太阳能电池中,利用合适的活性层有机材料吸收稀土材料的上转换发光,可以达到对近红外光能量的吸收利用的作用,最终提升聚合物太阳能电池的能量转换效率。 本课题从基于P3HT:PCBM体系的聚合物太阳能电池出发,利用稀土上转换纳米粒子(NaYF4:Yb3+,Er3+)在P3HT母体中的掺杂,利用双层的聚合物太阳能电池结构,制备了上转换-聚合物太阳能电池,并对其光伏性能进行了研究分析。 通过对上转换纳米粒子的掺杂位置、掺杂比例的调整,在NaYF4:Yb3+,Er3+纳米颗粒与P3HT以重量比为11.7%时,采用双层结构的上转换-聚合物太阳能电池的性能最优。电池的短路电流达到10.89mA/cm2,能量转换效率为3.62%,比未掺杂上转换纳米粒子的上层结构的聚合物电池的短路电流高16.6%,能量转换效率高10.7%；比单层的体异质结聚合物电池的短路电流高出22.4%,能量转换效率高16.4%。 【关键词】：聚合物太阳能电池 P3HT:PCBM 稀土 上转换发光
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-6
• 目录6-8
• 第一章 绪论8-28
• 1.1 引言8-9
• 1.2 太阳能电池的工作机理9-15
• 1.2.1 有机太阳能电池的等效工作电路10
• 1.2.2 有机太阳能电池的工作原理10-12
• 1.2.3 太阳能电池伏安特性曲线及其性能参数12-15
• 1.3 有机太阳能电池的器件结构15-18
• 1.3.1 单层结构15-16
• 1.3.2 双层异质结结构16
• 1.3.3 混合异质结结构16-17
• 1.3.4 分子D-A结结构17-18
• 1.4 聚合物太阳能电池国内外研究现状18-26
• 1.4.1 聚合物太阳能电池国外研究进展18-24
• 1.4.2 聚合物太阳能电池国内研究状况24-26
• 1.5 聚合物太阳能电池的性能影响因素26-28
• 第二章 稀土上转换发光材料28-40
• 2.1 稀土元素介绍28-29
• 2.2 稀土上转换发光原理29-32
• 2.2.1 稀土发光29-30
• 2.2.2 稀土上转换发光30-32
• 2.3 Yb~(3+),Er~(3+)掺杂上转换发光32-34
• 2.3.1 稀土上转换材料32
• 2.3.2 NaYF_4：Er,Yb上转换发光32-34
• 2.4 稀土上转换发光在太阳能电池中的应用34-38
• 2.4.1 稀土上转换发光在无机太阳能电池中的应用35-36
• 2.4.2 稀土上转换发光在有机太阳能电池中的应用36-38
• 2.5 本文工作38-40
• 第三章 聚合物太阳能电池的制备40-50
• 3.1 电池材料的选择41
• 3.2 聚合物太阳能电池的制备41-44
• 3.2.1 基片的清洗42
• 3.2.2 器件的制备42-43
• 3.2.3 测试方法43-44
• 3.3 聚合物太阳能电池器件结果分析44-46
• 3.3.1 器件活性层旋涂转速的调整44-45
• 3.3.2 活性层旋涂溶液浓度的调整45-46
• 3.4 通过紫外处理改善电池性能46-48
• 3.4.1 臭氧处理方法46
• 3.4.2 器件结果46-47
• 3.4.3 UV-O_3处理时间调整47-48
• 3.5 本章小结48-50
• 第四章 双层的聚合物太阳能电池50-59
• 4.1 双层电池结构的实验构思50-51
• 4.1.1 目前的聚合物太阳能电池的结构存在的问题50
• 4.1.2 聚合物太阳能电池的结构的研究50-51
• 4.2 “多层”聚合物太阳能电池结构的实验研究51-54
• 4.2.1 “多层”聚合物太阳能电池的制备52-53
• 4.2.2 多层”聚合物太阳能电池的性能53-54
• 4.3 “多层”聚合物太阳能电池结构的改进54-55
• 4.3.1 PCBM采用二氯甲烷溶剂54
• 4.3.2 PCBM采用混合溶剂54-55
• 4.4 双层的聚合物太阳能电池结构的研究55-58
• 4.4.1 双层的聚合物太阳能电池的结构55
• 4.4.2 双层的聚合物太阳能电池的性能分析55-56
• 4.4.3 双层的聚合物太阳能电池的相关表征56-58
• 4.5 本章小结58-59
• 第五章 上转换-聚合物太阳能电池的研究59-71
• 5.1 上转换发光材料的选择60
• 5.2 NaYF_4：(18%)Yb~(3+),(2%)Er~(3+)纳米粒子的制备与表征60-64
• 5.2.1 NaYF_4：(18%)Yb~(3+),(2%)Er~(3+)纳米粒子的物理性质表征60-61
• 5.2.2 NaYF_4：(18%)Yb~(3+),(2%)Er~(3+)纳米粒子的发光性质表征61-64
• 5.3 β-NaYF_4：(18%)Yb~(3+),(2%)Er~(3+)直接掺杂于活性层64-65
• 5.3.1 实验结构64-65
• 5.3.2 实验结果65
• 5.4 β-NaYF_4：(18%)Yb~(3+),(2%)Er~(3+)掺杂位置的调整65-68
• 5.4.1 实验结构66
• 5.4.2 实验结果分析66-68
• 5.5 NaYF_4：(18%)Yb~(3+),(2%)Er~(3+)纳米粒子的掺杂浓度调整68-70
• 5.5.1 J-V特性68-69
• 5.5.2 串联电阻69-70
• 5.6 本章小结70-71
• 第六章 总结与展望71-73
• 参考文献73-78
• 附录 攻读硕士学位期间撰写的论文78-79
• 致谢79

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