表面等離子體增強(qiáng)在石墨烯基新型太陽能電池中的應(yīng)用.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及傳統(tǒng)能源的日益枯竭，使得人們越發(fā)關(guān)注新能源的開發(fā)及利用;太陽能作為一種清潔能源被認(rèn)為是傳統(tǒng)能源的最佳替代者。相對于傳統(tǒng)硅基太陽能電池，染料敏化太陽能電池以其工藝簡單、價格低廉、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)引起研究者的廣泛關(guān)注。然而，傳統(tǒng)染料敏化電池的商業(yè)化應(yīng)用仍然受到一些設(shè)計(jì)及技術(shù)因素的制約。首先，傳統(tǒng)染料敏化太陽能電池有液態(tài)有機(jī)電解液，其流動性會嚴(yán)重影響電池的使用壽命，而且復(fù)雜的電解質(zhì)系統(tǒng)會增加封裝的成本，影響電池的穩(wěn)定性以及

2、安全性。其次，常用的透明電極如氧化銦錫、氧化氟錫的成本較高而且不適合用于柔性光伏器件。再次，傳統(tǒng)染料敏化太陽能電池中的分子厚度過大時，被激發(fā)后容易引起輻射復(fù)合、缺陷復(fù)合等其他損耗降低了染料敏化電池的能量轉(zhuǎn)換效率。另一方面，較薄的活性層會使得光吸收減少，而造成光電轉(zhuǎn)換效率很難提升。
　　針對這些傳統(tǒng)染料敏化電池應(yīng)用中制約性因素，本論文主要圍繞如何提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換性能為主題，利用金屬納米顆粒的表面等離子體共振增強(qiáng)機(jī)理，借助石墨

3、烯超高的載流子遷移率以及極高的透光性等優(yōu)勢，設(shè)計(jì)及制備新型的固態(tài)太陽能電池;同時在有限時域差分軟件(FDTD)中構(gòu)建器件的物理模型，從理論角度深入研究電荷及能量在表面等離子體納米顆粒、導(dǎo)和與石墨烯界面處的傳輸機(jī)理，分析所研究體系中太陽能電池光電性能的影響因素。主要的研究內(nèi)容分為以下三個方面:
　　1、利用石墨烯單原子層所具有的一些優(yōu)勢如透光性、載流子遷移率等優(yōu)勢，用石墨烯來代替?zhèn)鹘y(tǒng)染料敏化電池復(fù)雜的電解質(zhì)及對電極，依次通過背電極、

4、寬禁帶半導(dǎo)體、染料敏化分子層、石墨烯層以及金屬納米顆粒層的疊層排列，構(gòu)建一種全新的結(jié)構(gòu)緊湊集約型固態(tài)染料敏化太陽能電池。選用傳統(tǒng)染料敏化電池常用的釕配位Z907染料分子，以單晶二氧化鈦?zhàn)鳛榘雽?dǎo)體，在其背面蒸鍍低功函的銦與銀合金作為背電極，并通過蒸鍍8nm金、銀合金膜退火形成的納米顆粒作為表面等離激元來提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換性能。
　　通過不同成分表面等離子激元顆粒的光電轉(zhuǎn)換性能以及物理表征進(jìn)行具體分析，探索其所引起的太陽能電池的

5、性能變化的原因，同時在FDTD軟件中依照所設(shè)計(jì)的固態(tài)染料敏化太陽能電池結(jié)構(gòu)建立物理模型，結(jié)合電池器件設(shè)計(jì)原理分析金屬納米顆粒所產(chǎn)生的表面等離子體共振增強(qiáng)能量，如何匯聚到石墨烯與半導(dǎo)體層界面處，進(jìn)而激發(fā)吸附在二氧化鈦表面的染料分子，提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率;從理論上豐富和完善所設(shè)計(jì)的表面等離子增強(qiáng)固態(tài)染料敏化太陽能電池的作用機(jī)理。
　　2、通過交替蒸鍍不同厚度的合金膜，退火形成不同粒徑大小的納米顆粒，參考之前設(shè)計(jì)的固態(tài)染料敏化太

6、陽能電池工藝制備器件，測試表面等離子體納米顆粒粒徑對光電轉(zhuǎn)換性能的影響。對比不同的合金膜厚度所制備電池器件的光電轉(zhuǎn)換效率，并深入分析影響電池性能的納米顆粒相關(guān)因素;同時參考不同厚度合金膜SEM表征所測試出的顆粒粒徑及間距，在FDTD軟件中建立合金不同粒徑大小的物理模型，從理論角度定量分析納米顆粒的大小及彼此之間的間距對石墨烯和二氧化鈦界面的能量分布的影響原因，進(jìn)而探討顆粒粒徑對電池器件光電轉(zhuǎn)換性能的影響。
　　3、選用典型的熒光類

7、分子吖啶橙作為光激發(fā)染料，將其通過蒸鍍組裝到石墨烯上，并組裝與之吸光度曲線相匹配的銀納米顆粒，構(gòu)建原子級別接觸的Ado+NPs/Gr/TiO2三元界面，制備出一種表面等離子增強(qiáng)的選擇性隧穿太陽能電池。通過對比有無添加銀納米顆粒在電池器件的光電轉(zhuǎn)換性能測試結(jié)果，表明銀納米顆粒所引發(fā)的表面等離子體共振增強(qiáng)能夠激發(fā)吸附在其周圍的吖啶橙分子，進(jìn)而有效提高其在對應(yīng)波段的光電轉(zhuǎn)換效率。因?yàn)檫@個體系的吖啶橙分子是組裝在器件的最外層，本文研究了不同厚度