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研究生:王淑民
論文名稱:利用金奈米粒子之侷域性表面電漿效應提升有機太陽能電池元件特性
論文名稱(外文):Localized Surface Plasmonic Effects of Gold Nanoparticles on the Performance of Polymer Bulk Heterojunction Solar Cells
指導教授:韋光華韋光華引用關係
指導教授(外文):Wei, Kung-Hwa
學位類別:碩士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:材料科學與工程學系
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:99
中文關鍵詞:有機太陽能電池金奈米結構電漿子效應
外文關鍵詞:organic solar cellgold nanostructuresplasmonic effect
相關次數:
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此論文主旨為運用化學合成法製備出具有表面電漿共振(LSPR)特性的金奈米粒子,並探討其共振波長與材料結構。我們利用其特殊光學性質,製備出三種不同結構的電漿子有機太陽能電池元件,研究不同金奈米結構的LSPR效應提升元件光吸收機制,以及探討最佳的電漿子元件結構。
我們分別用水熱法、晶種成長法製備出八面體金奈米粒子及金奈米柱,分別摻入元件PEDOT:PSS層中,製備出第一種有機電漿子元件,我們利用UV-visible分析得知,摻有金奈米粒子的元件可提升元件主動層的吸光,使元件效率從4.02 %提升至4.31 %。第二種有機電漿子元件結構為在主動層與陰極間蒸鍍一層金奈米島狀物薄膜(Au nanoislands),藉由其特殊的LSP效應使元件效率提升從4.02 %增加至4.65 %。最後,我們結合第一種及第二種電漿子元件,設計出有雙層金奈米結構的第三種有機電漿子元件(PEDOT: Au &在主動層與陰極間加入Au nanoislands),由於成功的結合了兩種LSPR效應而效率最高,最佳效率達4.84 % (較有機元件提升了約20.4 %)。
摻入金奈米粒子於有機太陽能電池中,所引發的LSPR效應造成了光散射以及局佈電場提升現象,順利的使入射光trap於元件主動層中,使有效光路徑增加,提升激子產生率及元件光電流進而使效率提升。

In the purpose of this thesis, we investigated the device characteristics of organic photovoltaics (OPVs) incorporating Au nanoparticles (NPs) utilizing different methods in chemical synthesis that possess the property of localized surface plasmon resonance (LSPR) as well as probed the wavelength of LSPR and the structure for Au NPs. We utilized the special optical properties of Au NPs in LSPR to manufacture three kinds of plasmonic OPVs in the different structures of devices and observed the effects of LSPR for improving the optical absorption.
First, we synthesized two kinds of nanostructures in shape for Au NPs to apply in OPV devices, one is octahedral NPs, another is nano-rod NPs. Plasmonic OPV devices by blending Au octhahedral NPs into the PEDOT:PSS layer processed the performance of achievement 4.31% (enhanced 7%). Second, we deposited an Au nano-island film through the thermal evaporation onto the P3HT active layer to observe the PCE of OPV devices. The PCE increased from 4.02% to 4.65% (enhanced 15.7%) by introducing Au nanoislands between P3HT active layer and Al cathode. Finallly, the fabricated plasmonic P3HT-based OPV devices (device structure: ITO/PEDOT:Au NPs/P3HT:PCPM/Au nanoislands/Al) compare with neat P3HT:PCBM devices, the PCE of plasmonic OPVs was improved from 4.02% to 4.84% (enhanced 20.4%).
According to the optical and electrical analysis, LSPR enhanced the light absorption efficiency may result from two possible ways that optical path length increases by scattering effect and inducing a strong near-field to enhance the absorption of the active layer. The experimental results suggest a guideline for optimizing the plasmonic OPV structures with regard to their influence on the device properties.

摘要 I
Abstract II
誌謝......................................................................................................IV
目錄 V
圖目錄 VIII
表目錄 XII
第一章 緒論 1
1-1 太陽能電池簡介 1
1-2 有機太陽能電池介紹 4
1-2-1有機太陽能電池發展 4
1-2-2 有機太陽能電池結構及原理 9
1-2-3 有機太陽能電池等效電路 13
1-2-4 有機太陽能電池電性與參數 15
1-3 奈米材料的基本性質 18
1-4 表面電漿子介紹 21
1-4-1 電漿子的發展 21
1-4-2 金屬平面上的表面電漿子共振 (SPR) 22
1-4-3 金屬粒子上的表面電漿子共振(LSPR) 25
1-4-4 金屬奈米粒子的光散射現象 27
1-4-5 電漿子在太陽能電池的應用 28
第二章 實驗 33
2-2 實驗藥品 34
2-3 實驗儀器 36
2-4 實驗方法 41
2-4-1 合成八面體金奈米粒子 41
2-4-2 合成金奈米柱 42
2-4-3 元件的製備 44
第三章 結果與討論 45
3-1 金奈米結構合成機制探討 45
3-1-1 八面體金奈米粒子的合成機制 45
3-1-2 金奈米柱的合成機制 47
3-2 金奈米結構材料鑑定 52
3-2-1 八面體金奈米粒子鑑定 52
3-2-2 金奈米棒鑑定 56
3-2-3 鍍奈米金島狀物鑑定 61
3-3 加入金奈米結構的有機光伏元件性質分析 65
3-3-1 金奈米島狀物電漿子有機光伏元件性質分析 65

3-3-2 在PEDOT:PSS層加入八面體金奈米粒子或奈米柱的電漿子有機光伏元件性質分析 72
3-3-2-1 八面體金奈米粒子的電漿子有機光伏元件性質分析 73
3-3-2-2 金奈米柱的電漿子有機光伏元件性質分析 80
3-3-3 雙層金奈米結構(金奈米島狀物薄膜與PEDOT:PSS:Au)的電漿子對有機光伏元件性質分析 86
第四章 結論 94
參考文獻 96

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