納米材料有機太陽能電池吸收層能量轉換效率研究

劉紅軍

摘? 要： 針對有機太陽能電池吸收層能量轉換效率低的情況，對納米材料有機太陽能電池吸收層能量轉換效率研究。首先準備實驗材料與實驗設備，并制備有機太陽能電池與納米材料溶液，將制備好的納米材料以2 pm，8 pm，16 pm，19 pm的濃度分別添加到4個太陽能電池中，分別對比4個不同濃度的有機太陽能電池的能量轉換效率。納米材料有機太陽能電池能量轉換效率分析結果表明，添加濃度為16 pm的有機太陽能電池吸收層的能量轉換效率最高，具有一定的實際應用意義。

關鍵詞： 納米材料; 有機太陽能電池; 吸收層; 能量轉換效率; 材料制備; 結果分析

中圖分類號： TN245?34; TP873? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）18?0118?03

Abstract： In allusion to the low energy conversion efficiency of the absorption layer of organic solar cells， the energy conversion efficiency of the absorption layer of nanometer materials organic solar cells is studied. The experimental material and experimental facilities are prepared， the organic solar cells and the solution of nanometer material are prepared. The prepared nanometer material with the concentration of 2 pm， 8 pm， 16 pm and 19 pm is added into the four solar cells respectively， and the energy conversion efficiency of four organic solar cells with different concentrations are compared. The analysis results of the energy conversion efficiency of the organic solar cells of nanometer materials show that the energy conversion efficiency of the absorption layer of the organic solar cells with 16 pm concentration is highest， which has a certain practical significance.

Keywords： nanometer material; organic solar cell; absorption layer; energy conversion efficiency; material preparation; result analysis

0? 引? 言

化石能源日益消耗，迫切需要發展新能源，而太陽能具有資源豐富、無需運輸、污染小的特點，已被廣泛應用。

太陽能電池原理是通過光伏效應將太陽能轉換成電能，只要滿足一定的光照條件，就能夠輸出電壓和在形成回路的情況下產生電流，是人類利用太陽能的重要途徑。它具有質輕、工藝簡單、綠色安全、清潔環保、材料來源廣泛、可塑性強等優點，在工業生產上應用潛力較大。但是，目前有機太陽能電池的發展受到能量轉換率低的制約，達不到產業化的要求，提高有機太陽能電池的能量轉換效率已經成為目前研究的重點。為了提高有機太陽能電池的能量轉換效率，將納米材料應用到有機太陽能電池中，對納米材料有機太陽能電池吸收層能量轉換效率進行研究。納米材料的結構單元尺寸介于1～100 nm范圍之內，尺寸相干長度與電子相干長度接近，其性質因為強相干所帶來的自組織會使其性質發生很大變化。因此，對納米材料有機太陽能電池吸收層能量轉換效率研究具有重要意義。

以實驗的方式對納米材料有機太陽能電池吸收層能量轉換效率進行了研究，通過實驗證明了添加濃度為16 pm的有機太陽能電池吸收層的能量轉換效率最高。因此，納米材料表面等離子體共振效應能夠提高太陽能電池的光的吸收，有效提高太陽能電池的轉換效率。

1? 實驗方法

此次實驗主要研究不同濃度的納米材料對有機太陽能電池吸收層能量轉換效率的影響，對比不同濃度納米材料的有機太陽能電池的能量轉換效率，查看轉換率最高時的納米材料濃度為多少。

2? 實驗材料

納米材料的制備材料主要包括：硝酸銀[1]、氯酸金[2]、硼氫化鈉[3]、檸檬酸三鈉。實驗儀器設備包括：HQ?400KDE型高功率數控超聲波清洗器[4]、電熱恒溫鼓風干燥箱[5]、精密電子天平、離心機、BOC EDWARDS QUTO500型有機鍍膜機，以及UJKK公司生產的多室真空鍍膜聯動系統、真空加熱箱[6]、勻膠機和掃描電子顯微鏡等。

電池器件制備，具體配置如下：

1） 配置溶液，使用氯苯溶解MEH?PPV和PCBM，配置分數為0.5wt%和2wt%，持續攪拌，攪拌12 h以上，使其充分溶解。

2） ITO玻璃處理，在真空度為[4×10-10] Pa的條件下，將其切成正方形小塊，溫度設定為120 ℃，時間為1 h。

3） 光敏層旅涂[7]，光敏層為P3HT和PCBM按照1∶0.5的比例配置鄰二氯苯溶液，勻膠機轉速設置為800 r/min，時間為12 s，活性厚度約為120 nm，然后將其放入培養皿中，在真空條件[8]下干燥2 h。

4） 蒸鍍AL電極，取1 g AL絲加入加熱舟中，蒸鍍后得到薄膜[9]，將其作為電池的陰極[10]。

納米材料溶液準備，準備過程如下所示：

1） 清洗玻璃器皿，采用氫氧化鈉浸泡0.5 h，用去離子水將氫氧化鈉溶液洗凈，然后放在超聲波清洗器中超聲15 min，最后用去離子水沖洗2～3遍，放入烘干箱中使其充分干燥;

2） 將配置好的硝酸銀溶液、檸檬酸三鈉放置與25 mL去離子水中，劇烈攪拌10 min，在混合均勻的溶液中滴入硼氫化鈉，劇烈攪拌，待其顏色從淡黃色變為深黃色，完成溶液配置;

3） 在溶液中加入硼氫化鈉作為還原劑[11]，利用H2O2控制納米材料的生長方向，當溶液從深黃色變為藍色后，完成納米種子溶液的制作。

4） 采用測試系統Keithley 485和Keithley 2400進行實驗，并利用DIUGF軟件檢測對活性層內部的電場情況，實時提取局部場的分布結果，得到準確的實驗結果。

3? 實驗步驟

分別測出太陽能電池吸收率的能量轉換效率，由于太陽能電池吸收層的表面對照明光的入射角和波長選擇性較強，會對實驗結果產生影響，光致電荷[12]的轉換過程能量級圖如圖1所示。

光電流大小與電極兩端能收集到的電荷數量，采用式（1）減少該影響：

式中：[m=0，±1，±2，…，n];[kzf]代表SP的損失;[mk]為光柵的波矢;[sin θ]代表光波輻射角度。通過上述公式計算發現，有機太陽能電池能量的轉換效率與光波的波長[13]和入射角[14]有一定的關系。電荷分離與傳輸示意圖見圖2。

不同金屬和不同介質的周期性、尺度大小和對稱性等對太陽能電池能量的轉換效率也有一定的影響，根據該原理，調整實驗設備與實驗環境。根據式（2）理解入射光與納米材料的局域表面等離子體效應之間的相互作用機理[15]：

式中：[ηk]代表電子吸收的效率;[ηl]代表激子分離效率;[ηq]代表入射電磁場的角頻率。根據方程能夠推導出，當納米材料濃度越高時，電磁場明顯增強，消光系數越大，入射光吸收越多，根據所得到的原理為實驗結果分析提供一定的基礎。

4? 納米材料有機太陽能電池能量轉換效率分析

在實驗材料準備完成的基礎上，結合納米材料的特殊光學性質，將納米材料以不同的濃度添加到有機太陽能電池的緩沖層中，研究不同濃度的納米材料對電池吸收層能量轉換效率的影響。添加濃度分別為2 pm，8 pm，16 pm，19 pm，將不同濃度的納米材料包覆在有機太陽能電池上。

將制作好的納米材料包覆在4個有機太陽能電池的不同層中，查看有機太陽能電池對入射光的吸收情況。采用時域有限差分方法計算納米材料溶液引入后的電池結構內部局域場的分布情況，同時為了方便實驗結果的分析，設置周期性邊界條件，將納米材料溶液附近網格設置為0.5 mm，以提取出局域場數據。制備好電池后，立即對電池測試，納米材料有機太陽能電池能量轉換效率如圖3所示。

分析納米材料有機太陽能電池能量轉換效率曲線可知，加入16 pm濃度納米材料的有機太陽能電池的能量轉換效率最高，轉換效率達到最大，證明納米材料的添加會使太陽能電池吸收層的能量轉換效率發生改變。因為添加納米16 pm濃度材料能夠增強有機太陽能電池周圍的電場，從而提高有機太陽能電池吸收層能量轉換效率。

5? 結? 語

由于不同濃度的納米材料對有機太陽能電池的轉換效率不同，而加入16 pm濃度納米材料的有機太陽能電池的能量轉換效率高，并且納米材料制作簡單，尺寸分布均勻，能夠與太陽能電池器件較好的結合，是提高有機太陽能電池轉換效率的重要手段，具有一定的實際應用意義。

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