金属纳米结构对钙钛矿太阳电池光电转换过程影响的研究

作     者：程禹 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋宏伟

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：钙钛矿太阳能电池 金属纳米结构 表面等离子体共振 散射 

摘      要：能源是未来世界发展的重要因素,化石能源带来的污染问题已经被广泛的关注,充分利用清洁能源,实现可持续发展已经成为世界各国人民的共识。随着第一代硅基太阳能电池的开发利用,太阳能因储量大,覆盖广等优势,已经作为清洁能源的代表被广泛的研究。2009年有机-无机杂化钙钛矿光伏器件的提出,促进第三代薄膜光伏器件的发展。钙钛矿太阳能电池与可见光光谱具有高的匹配性,钙钛矿材料制备过程更简单,器件总体成本相对低廉。因良好的光、电性质一经提出便飞速发展,光电转换效率(PCE)已经达到22.3%。这样的发展速度超越了以往所有的光伏器件,对未来新能源领域有着深远的影响。金属纳米结构的表面等离子体效应对光有散射的作用,对薄膜电池而言,这可以解决厚度不足所带来的吸收不充分的问题。在有机太阳能电池已经报道过利用金属纳米结构提升器件转换效率的工作,都不同程度的改善了器件的性能。基于以上两点原因我们开展了以下的工作:合成了金纳米球、金纳米棒、银纳米球、银纳米块、金-银合金五种不同材料、形貌各异的金属纳米结构;设计合理的器件结构,使用射频磁控溅射设备使金属纳米结构嵌入到TiO致密层中,首次系统的研究了它们对器件性能的影响;金属纳米结构的表面等离子体效应还与它自身的尺寸有很大的关系,我们也开展了性能随金-银合金尺寸变化的研究;在优化了金-银合金的浓度后,我们使器件平均效率由最初的12.6%提高到了14.8%,增幅为17.5%,是迄今报道利用金属纳米结构提升器件效率增幅最高的工作。对器件在最佳功率点的输出进行了测试,器件可以达到稳定输出19.5m A/cm2的电流。同时对金属纳米结构提升器件的原理结合实验数据进行了阐述:在入射光到达金属纳米结构表面后,由于介电常数的原因,产生散射作用进入钙钛矿层,没有被钙钛矿吸收的光会到达电极经反射再次到达金属纳米结构表面,再次散射向钙钛矿层,进行再吸收,如此多次散射,有效得增加了光程,提高了器件对光的利用率,增强光电转换也就是电流的提升,最后器件性能得到较大的改善。这样的方式为今后光伏器件的发展提高了新的思路。