核—壳结构纳米金的LSPR调控及其在聚合物太阳能电池中的应用

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由于传统化石能源的日趋枯竭、环境的不断恶化以及人们的环保意识逐渐增强,社会对于替代能源的需求与日俱增。聚合物体异质结有机太阳能电池由于具有成本低、绿色环保等优点受到越来越多的关注。聚合物太阳能电池(PSCs)中,光子的吸收、激子的产生与分离、载流子的传输与收集都是在体相异质结活性层以及活性层与电极的界面之间发生的。为了提高PSCs的性能,体异质结的形貌控制以及优化是非常重要的。此外,如何在不增加活性层厚度的情况下,通过界面设计及调控来有效增强光吸收,成为了PSCs制备的关键。本文选用PTB7:PC71BM聚合物太阳能电池体系,引入包覆聚多巴胺的核-壳结构纳米金(Au@PDA),制备了一系列电池器件,探讨了Au@PDA对电子传输层(ETL)的修饰改性及对器件性能的影响。首先,采用Frens还原法制备了粒径约为30nm的金纳米颗粒(Au NPs),通过多巴胺(DA)在Au NPs表面自聚合得到核-壳结构材料Au@PDA。PDA可以有效地修饰Au NPs的表面,提高其稳定性。通过调节DA的聚合时间来调控PDA外壳的厚度以及Au@PDA的光谱响应。接着,通过改变给体材料(PTB7)、受体材料(PC71BM)的比例、调节活性层厚度、改变退火条件、改变氧化锌(Zn O)电子传输层制备方法等,探究了PTB7:PC71BM聚合物太阳能电池适宜的制备工艺:即采用溶胶凝胶法制备纳米Zn O电子传输层,给体、受体比例为1:1.5,活性层旋涂转速1200 rpm,于120℃、10 min的条件下进行退火。在此条件下,器件的短电流密度达到11.14 m A/cm2,能量转换效率(PCE)达到4.64%。最后,将Au@PDA用于电子传输层的表面修饰改性。由于LSPR效应,Au@PDA的引入可以实现在不增加活性层厚度的前提下,增加活性层对光的吸收。此外,PDA还能有效地与Zn O ETL结合,减少其表面缺陷,改善了界面层与活性层的接触。当DA聚合时间为1h时,改性后PSCs的短电流密度达到13.98 m A/cm2,PCE达到6.03%,是未加入Au@PDA的器件的130%。
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