英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
有机太阳能电池中的等离子体前向散射效应：一种强大的光学元件工程方法
引言
在本报告中，利用尺寸控制的银纳米粒子（AgNPs，直径：10-100nm）系统地分析了有机光伏电池(OPVs)中的等离子体效应，该银纳米粒子被并入阳极缓冲层聚（3,4-亚乙基二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）(PEDOT:PSS)中。AgNPs的光学特性随尺寸的变化对器件的性能有很大的影响。在聚[N-9-庚基-癸基-2,7-咔唑-alt-5,5-（4,7-二-2-噻吩基-2 , 1,3-苯并噻二唑）](PCDTBT)中，功率转换效率(PCE)从6.4％提高到7.6％ ；[6,6] -基于苯基C71丁酸甲酯(PC70BM)的OPV，在聚噻吩并[3,4-b]中为7.9％至8.6％。由于等离子体散射效应，吸收增强显著提高了外量子效率(EQE）。最后，我们用近场光学显微镜(NSOM)和解析光学方法观察了AgNPs的散射场，验证了AgNPs的尺寸依赖性，等离子体前向散射效应的起源。
介绍
有机光伏(OPV)电池具有重量轻，柔性小，生产成本低等优点，因此具有与下一代太阳能电池一样的潜力。近来，有机本体异质结太阳能电池的功率转换效率(PCE)据报道，超过8〜9％[1-2]。但是，与无机光伏电池相比，OPV电池相对较低的PCE需要进一步提高，才能使这些电池在商业上可行。由于有机材料的低载流子迁移率，所以随着有源层厚度的增加，内部量子效率(IQE)趋于降低。对于本体异质结系统中厚度约为100 nm的有源层，很难吸收所有入射光子。由于该极薄的膜厚度，低的光吸收趋于充当瓶颈，从而阻止了有机太阳能电池的高效率。为了获得高的PCE，许多研究人员试图开发具有宽吸收光谱[3]，高载流子迁移率[4]和适当的光学带隙[5]的新型聚合物材料。但是传统的OPV电池结构尚未完全克服吸收不足的问题，由于吸收能力和IQE之间的权衡关系，在OPV中不可避免地要使用光学工程来增强光吸收。光学工程中有很多方法，包括串联结构[6-7]，表面纹理化[8]，金属纳米光栅[9]，共振腔[10],射线光学光捕获系统[11-13]也被提议用于增加光吸收。在这些方法中，在这些方法中，最近人们对在OPV中使用金属纳米粒子（MNP）越来越感兴趣[14-30]，因为MNP的局部表面等离振子共振（LSPR）效应具有增强活性层吸收的潜力。此外，通过改变MNP的尺寸[31]，形状[32]和周围材料[33]来实现光学特性的易调节性，已显示出作为薄膜光电设备中的光学工程工具的巨大潜力。许多研究小组报告说，通过在所谓的等离子OPV中使用MNP，可以增强PCE 。另外，关于PCE增强机理的理论很多，例如增强的载流子效应和激子寿命[34]，电导率[15]和通过合并MNP修改表面形态[23]。但是，人们对于 LSPR效应在OPV中的确切作用还没有很好的了解。
MNPs的LSPR效应是由MNPs中振荡自由电子与入射光的相互作用产生的。MNPs的LSPR不仅具有各向异性散射，而且还具有吸收入射光的特性。为了研究散射和吸收效率，对PEDOT:PSS中分离出的AgNPs进行了模拟[20]。图1（a）显示了不同尺寸纳米粒子（红线）在300到800nm范围内的散射与吸收功率之比。对于PV应用，理想情况下，比值应该接近1，因为AgNPs吸收的功率作为焦耳热耗散。虽然小的AgNPs（＜40nm）的吸收功率支配着散射功率，但随着尺寸的进一步增大，散射功率变得比吸收功率强。因此，可以认为，从光学角度来看，大MNPs（＞40 nm）可能是有益的。然而，关于PV的性能与设备中嵌入式MNP大小的相关性的报道很少。
图1 等离子体OPV的示意图和光学仿真结果
（a）分析光学模拟是根据先前的报告进行的[20]。红色：各种大小的AgNPs的总散射功率与总吸收功率值之比。功率在300 nm至800 nm的波长范围内积分。蓝色：PEDOT：PSS中球形AgNPs的前向散射与总散射的比率。模拟中使用的AgNPs的大小为平均大小。（b）等离子体OPV的示意图。器件结构为玻璃/ ITO / PEDOT：PSS，带有AgNPs / PCDTBT：PC70BM（或PTB7：PC70BM）/ TiOx/ Al反射镜。插图说明了PEDOT：PSS层中AgNPs的等离子体正向散射效应。（c）AgNP-13，（d）AgNP-40，（e）AgNP-67和（f）AgNP-94的TEM图像。
在本报告中，我们展示了掺杂在聚（3，4-亚乙基二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）阳极缓冲层中的具有尺寸控制AgNPs（10-100nm）的有机光伏电池。我们使用AgNPs是因为AgNPs显示出优于任何其他MNPs的散射效率，如图1所示。我们研究MNPs对OPVs的PCE的等离子体尺寸效应，揭示了MNPs与OPVs相互作用的机制。
结果
有机太阳能电池的等离子体设计
所提议的装置结构的示意图如图1(b)所示。在由PEDOT:PSS组成的阳极缓冲层中掺杂不同尺寸的AgNPs，有效地诱导了前向散射。为了将PEDOT:PSS的厚度保持在约30nm，AgNPs悬浮液的掺杂体积固定在40 vol%。将AgNPs悬浮液分散在去离子水中，以便将其与PEDOT:PSS溶液充分混合。在本报告中，我们以聚[N-9-庚-癸基-2,7-咔唑alt-5,5-（4,7-二-2-噻吩-2,1,3-苯并噻二唑]（PCDTBT）和聚噻吩[3,4-b]噻吩/苯并二噻吩（PTB7）为光活性供体，以[6,6]-苯基C71丁酸甲酯（PC70BM）为受体制备了两种OPV，控制装置结构为ITO/PEDOT:PSS/聚合物：PC70BM/TiOx/Al。我们基于PCDTBT和PTB7的控制装置显示PCE分别约为6.4%和7.9%。据报道，基于PCDTBT:PC70BM的OPV的PCE高达6%[35]或更高，具有相对较低的吸收率和较高的IQE值[36]。因此，适当的光学工程可以在不干扰高像质的情况下抵消低光吸收，从而有效地改善PCE。
图1(c)-(f)显示了直径在10到100纳米范围内的单分散AgNPs的透射电子显微镜（TEM）图像。我们将平均直径为d nm的AgNPs标记为AgNPs-d。精确尺寸分布的直方图如图S4所示，数据汇总在表S1中。图S3显示，AgNPs的尺寸会大大影响散射效率，这意味着器件性能也会受到AgNPs尺寸的显着影响。
光伏性能对AgNPs尺寸的依赖性
我们通过调节AgNPs的两个条件：大小和浓度来研究等离子体视动力学。图2(a)显示了最佳PCDTBT:PC70BM基OPV电池的代表性电流密度(J)-电压(V)特性，AgNP-67以4.5times;109/cm2的最佳浓度嵌入PEDOT:PSS缓冲层（红色填充圆圈）。PCE从6.4%显著提高到7.6%，主要原因是短路电流(Jsc)显著增加了约13%，从11.22mA/cm2提高到12.67mA/cm2（表1）。填充因子(FF)稍有提高，开路电压(Voc）基本不变，说明PCE增强的根本原因是通过引入AgNPs的光学工程。图2(b)比较了最佳等离子光动力与对照光动力的EQE,吸收和IQE。EQE和吸收主要在波长400-500nm处增强，正好与AgNP-67的LSPR位置一致，如图S2所示。注意，该区域活性物质的相对较低吸收有效地放大了吸收增强。对于PTB7:PC70BM装置（图2（a），开环），插入AgNP-67后PCE从7.9%增强到8.6%（表1）。Jsc值基本上得到了提高，而Voc和FF保持不变，类似于基于PCDTBT:PC70BM的OPVs。详细的EQE、吸收和IQE性能指标如图S5所示。图S5(b)显示，在相同的光谱区域，EQE和吸收也大大增强，表明PTB7:PC70BM器件和PCDTBT:PC70BM器件被相同的机制增强。
图2(c)和表1显示了嵌入式AgNPs对OPV光伏性能的尺寸效应。为了使结果一致，在每个条件下至少制造了50个器件。设备性能的完整统计数据汇总在表S2中。对于每个AgNPs尺寸，AgNPs以最佳浓度掺杂以产生最大PCE。随着AgNPs粒径增大到67nm，最大增强逐渐增大。显然，PCE的增强主要取决于Jsc值的增强。不同粒径AgNPs的FF略有增强，Voc影响不大。然而，对于大于67nm的AgNPs，最大增强有所下降。
图2 各种尺寸AgNPs的等离激元OPVs的合资特性和光谱响应
（a）最佳等离子OPV（红色圆圈）和对照OPV（黑色正方形）的JV曲线。实心和空心符号分别表示PCDTBT：PC70BM和PTB7：PC70BM设备。等离子体装置在尺寸和浓度方面进行了优化。AgNPs的最佳大小和浓度分别为67 nm和4.5times;10 9 / cm 2。的7.6％最好OPV实现功率转换效率与PCDTBT：PC70BM和8.6％与PTB7：PC70BM。（b）PCDTBT：PC70的等离子OPV（空心符号）和控制装置（实心符号）的EQE（黑圈），吸收（红色方块）和IQE（蓝色三角形）特性BM和（c）在最佳浓度下，各种尺寸的AgNPs的最大增强。的Ĵ SC和PCE值显著增强，并与AgNP-67进行了优化。误差条是从至少50个设备中获取的。（d）结合各种尺寸的AgNPs，增强OPV的EQE。（e）结合各种大小受控的AgNPs的OPV的吸收增强。（f）嵌入了各种大小的AgNP的OPV的IQE增强：AgNP-13（黑色圆圈），AgNP-40（红色正方形），AgNP-67（蓝色三角形（向上））和AgNP-94（绿色三角形（向下） ））。
|
聚合物 |
银杏 |
V OC [V] |
J sc [mA / cm 2 ] |
FF [％] |
eta;[％] |
J sc （EQE） [mA / cm 2 ] |
|
PCDTBT |
控制装置 |
0.89 |
11.22 |
0.64 |
6.4 |
11.20 |
|
|
AgNP-13 |
0.89 |
11.98 |
0.66 |
7.0 |
11.63 <!--剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[238064]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
