agptio纳米粒子增强的有机薄膜太阳能电池

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1、AgP@TiO2纳米粒子增强的有机薄膜太阳能电池尤静1，2，肖殷1，2，王世荣1，2，高桥由纪3，李祥高1，2，山田淳3（1.天津化学化工协同创新中心，天津300072；2.天津大学化工学院，天津300072；3.日本九州大学工学研究院应用化学部门，日本福冈819-0395）摘要：利用银纳米粒子作为表面等离子体共振效应（LSPR）发生材料，将银纳米粒子引入聚噻吩-富勒烯有机薄膜太阳能电池中，研究其表面等离子体共振效应对太阳能电池光电转换行为的影响。为了防止银纳米粒子聚集，制备了核壳结构的银纳米粒子（AgP@TiO2）。采用喷涂法将AgP@TiO2均匀地沉积在氧化锡铟（ITO）透明电极

2、或二氧化钛薄膜表面，制备结构为ITO/AgP@TiO2/TiO2/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS/Au和ITO/TiO2/AgP@TiO2/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS/Au的薄膜型太阳能电池。I-V测试显示当AgP@TiO2沉积在TiO2层与P3HT:PCBM之间时，与没有AgP@TiO2的电池相比光电流增强了~2倍。关键词：表面等离子体共振效应；银纳米粒子；有机薄膜太阳能电池1引言有机薄膜太阳能电池的出现，为人们提供了一种轻型，廉价，便利地利用太阳能的新途径[1-3]。一般的，有机薄膜太阳能电池中，富勒烯衍生物主要作为电子受体。富勒烯衍生物的最低未占轨道（LUM

3、O）的能级为-4.3eV[4]。这就要求阳极金属的功函数要尽可能的接近这一能级。金属铝由于它的功函数为4.06-4.26，就成为目前最常用的阳极金属。但是，金属铝在大气中非常容易被氧化，导致金属阳极与有机层间的电荷注入受到影响。因此这类电池未封装条件下的寿命非常短。为了解决这一问题，2006年人们提出反式有机薄膜太阳能电池的概念[5-9]。这种电池引入金属氧化物薄膜，使得富勒烯衍生物的电子能够经由金属氧化物薄膜注入透明电极中。常用的主要有氧化锌和二氧化钛[8-12]。本文，主要利用这种结构的有机薄膜太阳能电池，作为研究等离子体共振影响的主体。金、银纳米粒子的等离子体共振现象在光学及

4、光182——电器件厂。中的应矗一用，已g—有广坌泛—报道g[13=-24]：。，P高3仑HT:PC。垒BM/PEg．DOT:PSS/Au和ITO/TiO2/特别是在有机薄膜太阳能电池中的应用，E寻一k唑目靶唑螋些望垒以聚噻吩-富勒烯体系为例，金、银纳米颗粒的引入可提高薄膜的光子捕获率，聚噻吩的激发效率，电荷分离效率以及减少薄膜内的电荷再复合率等[25-34]。目前，关于金、银纳米粒子的引入对光电流或者是光电分离效率的影响的研究主要集中在讨论增加光子捕获率和薄膜光学特性改变的方面，表面等离子体共振产生的近场效应的影响还鲜有报道。本文在银纳米粒子外包覆一层二氧化钛(TiO2)来制备核壳结

5、构的银。纳米颗粒（AgP@TiO2）。利用喷涂的方法将AgP@TiO2纳米颗粒沉积在ITO电极表面或者TiO2层上制备结构为一耋1尝寻ITO/AgP@TiO2/TiO2/AgP@TiO2/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS/Au-的有机薄膜太阳能电池。通过这两种电池结构，银纳米粒子表面与聚噻吩-富勒烯光电转换层的距离可以利用TiO2层厚度来调控。我们测试了电池的光电转换效率、电流电压曲线，以及阻抗谱来讨论银纳米粒子在不同位置时对电池性能的影响。2实验2.1器件制备实验中所用的银纳米粒子是由日本九州大学所合成提供的。AgP@TiO2纳米粒子的制备是通过在碱性条件下，用凝胶溶胶法将

6、异丙氧基钛在银纳米粒子表面水解形成TiO2包覆层。电池的制备流程如图1所示：图1电池制备流程如图1所示，首先ITO基板用乙醇和酮超声清洗，干燥后放入臭氧清洁机进行表面清洁得到清洁ITO基板。然后清洁IT基板的表面，用N2气喷枪喷涂183●将丙一层AgP@TiO2纳米粒子。喷枪的压力为2Nkg/cm2。接下来，旋涂一层由乙酰丙酮稳定的异丙氧基钛溶液，在空气中110oC加热1小时得到TiO2层，厚度~20nm。光电转换层是聚噻吩和富勒烯的衍生物（聚-3-己基噻吩（P3HT）和[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM））。制备方法为，用P3HT和PCBM的对二氯苯溶液(浓度1mg/mL

7、，质量比1:1)旋涂在TiO2层上，80oC加热5分钟得到光电转换层。P3HT:PCBM层上再旋涂一层聚（3,4-乙撑二氧噻吩）:聚乙烯基苯磺酸钠（PEDOT:PSS），150oC加热10分钟干燥得到空穴注入层。最后真空蒸镀上金电极就得到了电池Cell-A。Cell-B用同样的方法制备，区别在于喷涂AgP@TiO2纳米粒子前，先在ITO基板上制备TiO2层。作为比较，利用同样的制备方法制备参照电池Ref-Cell，不沉积纳米粒子。2.2结构与性能表征吸收光