聚合物/無機(jī)納米復(fù)合體系太陽能電池光伏性能研究

【摘要】：聚合物太陽能電池(PSCs)以其無污染、低成本、輕質(zhì)、柔性及易大面積量產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)今新材料與新能源開發(fā)領(lǐng)域中最富活力的熱點(diǎn)之一。PSCs的轉(zhuǎn)化效率現(xiàn)已突破10%,雖然在實(shí)驗(yàn)研究上取得了長(zhǎng)足進(jìn)步,但是要真正發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)走進(jìn)商品化之前,該類型電池在器件性能、壽命、制造成本等方面仍存在許多不足,有待繼續(xù)提高。本論文中,我們基于常見的聚3-己基噻吩:富勒烯(P3HT:PC61BM)體系太陽能電池,從器件結(jié)構(gòu)、膜層形貌特性,界面問題、傳輸層功能性等方面展開研究,希望通過探討器件性能的影響因素,進(jìn)一步加深對(duì)于有機(jī)給受體材料屬性、有機(jī)/無機(jī)納米材料間相互作用機(jī)理等方面的認(rèn)識(shí),為聚合物光伏器件性能及穩(wěn)定性的改善提供一點(diǎn)實(shí)驗(yàn)理論依據(jù)。論文主要研究?jī)?nèi)容如下:首先,針對(duì)正型結(jié)構(gòu)光伏器件,從活性層成膜處理著手,通過精確控制器件退火過程中氣氛環(huán)境壓強(qiáng),討論了氣壓對(duì)于活性層內(nèi)部結(jié)晶形貌形成的影響;此外,采用溶劑輔助雙重退火方法有效地提升了P3HT結(jié)晶有序性,制備了最高效率為4.2%的正型光伏器件。隨后,對(duì)比分析了PEDOT:PSS電導(dǎo)性、MoO3、ZnO、Cs2CO3與LiF等修飾層在電荷傳輸功能上對(duì)器件性能的影響。在器件穩(wěn)定性方面,探討了ZnO納米薄膜與PECVD低溫制備SiO2薄膜作為封裝層在延續(xù)電池壽命上的作用效果。另外,我們將PbS量子點(diǎn)(QDs)引入正型結(jié)構(gòu)器件中,制備了雙層結(jié)構(gòu)與三元共混結(jié)構(gòu)的PbS QDs/有機(jī)復(fù)合太陽電池,研究了不同配體取代工藝、量子點(diǎn)成膜工藝對(duì)于光譜吸收以及太陽能電池光伏特性的影響。隨后,我們采用溶液法對(duì)ZnO納米結(jié)構(gòu)薄膜進(jìn)行優(yōu)化制備,使其在電學(xué)與光學(xué)特性上均滿足復(fù)合結(jié)構(gòu)光伏器件制備及功能上的需要。通過工藝調(diào)整及添加表面活性劑等方法實(shí)現(xiàn)了ZnO納米陣列形態(tài)取向性的有效控制;并在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了Mg與Al摻雜對(duì)于ZnO納米棒結(jié)晶性以及光學(xué)性質(zhì)等方面的影響。本實(shí)驗(yàn)在開放溶液體系中進(jìn)行,其方法原理同水熱法相似,無需高溫高壓等特殊條件,對(duì)于設(shè)備條件的要求也較低,因此適于大規(guī)模制備低維有序ZnO納米棒陣列薄膜。接下來,我們針對(duì)反型復(fù)合體系光伏器件的性能與穩(wěn)定性問題,重點(diǎn)討論了ZnO納米薄膜形態(tài)在電子傳輸功能上的影響;另外,還就反型器件中發(fā)現(xiàn)的性能周期性衰減現(xiàn)象——“光浴”(light-soaking)問題進(jìn)行了系統(tǒng)地分析與研究,從器件構(gòu)成順序的角度出發(fā),通過變更電子傳輸層相鄰界面,驗(yàn)證了光浴問題是由ZnO納米材料O2吸附缺陷造成的電極界面處存在勢(shì)壘所致,而并非活性層的自身老化。文中最后,我們將光敏染料Z907引入反型器件,采用物理吸附方法將其接枝于ZnO晶體表面,制備了基于共混體系的ZnO/Z907/P3HT:PC61BM結(jié)構(gòu)復(fù)合器件,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)染料吸附進(jìn)一步完善了納米結(jié)構(gòu)與活性層的接觸界面,因此有效抑制了ZnO缺陷導(dǎo)致的電荷復(fù)合。 【關(guān)鍵詞】：聚合物太陽能電池 復(fù)合體系 ZnO納米結(jié)構(gòu) 光伏性能 穩(wěn)定性
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-24
• 1.1 本論文研究背景及意義11-13
• 1.2 太陽能電池技術(shù)概況13-17
• 1.3 聚合物薄膜太陽電池研究進(jìn)展17-18
• 1.4 論文的主要研究?jī)?nèi)容及工作18-20
• 參考文獻(xiàn)20-24
• 第2章 有機(jī)太陽電池原理及特性分析24-53
• 2.1 有機(jī)太陽電池工作原理24-28
• 2.1.1 光的吸收與激子產(chǎn)生25-26
• 2.1.2 激子擴(kuò)散與解離26
• 2.1.3 電荷轉(zhuǎn)移過程及載流子的傳輸26-27
• 2.1.4 自由載流子的收集27-28
• 2.2 有機(jī)光伏電池特性分析28-31
• 2.2.1 開路電壓（VOC）28-29
• 2.2.2 短路電流（ISC）29-30
• 2.2.3 填充因子（FF）30-31
• 2.2.4 光電轉(zhuǎn)化效率（η）31
• 2.3 有機(jī)薄膜太陽電池材料31-38
• 2.3.1 有機(jī)電子給體/受體材料31-35
• 2.3.2 電極材料35-36
• 2.3.3 界面修飾層材料36-38
• 2.4 有機(jī)光伏器件結(jié)構(gòu)38-40
• 2.5 有機(jī)薄膜特性表征方法40-43
• 2.6 本章小結(jié)43-44
• 參考文獻(xiàn)44-53
• 第3章 基于正型結(jié)構(gòu)的聚合物太陽能電池特性研究53-102
• 3.1 器件制備工藝流程及測(cè)試方法53-60
• 3.1.1 實(shí)驗(yàn)制備所用材料及儀器設(shè)備53-54
• 3.1.2 聚合物太陽能電池制備工藝流程54-58
• 3.1.3 聚合物太陽能電池伏安特性測(cè)試58-59
• 3.1.4 功能層薄膜物理特性的表征59-60
• 3.2 聚合物共混層結(jié)晶形貌對(duì)于光伏器件性能的影響60-68
• 3.2.1 退火環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)于聚合物光伏器件性能的影響60-65
• 3.2.2 溶劑輔助退火對(duì)于聚噻吩結(jié)晶度及其光伏性能的影響65-68
• 3.3 電荷傳輸層對(duì)于器件光伏性能的影響68-78
• 3.3.1 空穴傳輸層的選取及性能優(yōu)化69-75
• 3.3.2 不同陰極修飾層對(duì)于光伏器件性能的影響75-78
• 3.4 封裝工藝對(duì)于聚合物光伏器件壽命的影響78-84
• 3.4.1 實(shí)驗(yàn)封裝方法78-82
• 3.4.2 封裝效果分析82-84
• 3.5 PbS量子點(diǎn)/有機(jī)復(fù)合太陽能電池的制備研究84-95
• 3.5.1 PbS量子點(diǎn)/有機(jī)復(fù)合太陽能電池的研究背景84-85
• 3.5.2 PbS量子點(diǎn)的合成制備85-89
• 3.5.3 基于PbS量子點(diǎn)/有機(jī)混合太陽能電池的制備及性能研究89-95
• 3.6 本章小結(jié)95-96
• 參考文獻(xiàn)96-102
• 第4章 氧化鋅納米結(jié)構(gòu)制備及其光學(xué)特性研究102-130
• 4.1 實(shí)驗(yàn)制備方法103-106
• 4.1.1 所用試劑及測(cè)試儀器103
• 4.1.2 ZnO納米棒薄膜的生長(zhǎng)機(jī)理103-104
• 4.1.3 ZnO納米晶種層的制備104-105
• 4.1.4 ZnO納米棒的溶液生長(zhǎng)105-106
• 4.2 ZnO納米陣列的形態(tài)控制研究106-118
• 4.2.1 ZnO晶種層前驅(qū)溶液濃度的影響106-109
• 4.2.2 生長(zhǎng)溶液濃度的影響109-111
• 4.2.3 ZnO納米棒長(zhǎng)度與生長(zhǎng)時(shí)間的關(guān)系111-113
• 4.2.4 ZnO納米棒陣列取向性的控制113-117
• 4.2.5 ZnO納米棒陣列薄膜的發(fā)光性質(zhì)117-118
• 4.3 摻雜ZnO納米棒陣列的制備研究118-125
• 4.3.1 摻鋁ZnO納米棒陣列的制備研究118-121
• 4.3.2 摻鎂ZnO納米棒陣列的制備研究121-125
• 4.4 本章小結(jié)125-126
• 參考文獻(xiàn)126-130
• 第5章 基于反型結(jié)構(gòu)的復(fù)合太陽能電池優(yōu)化及特性研究130-165
• 5.1 器件結(jié)構(gòu)及制備工藝130-131
• 5.2 ZnO/聚合物納米復(fù)合結(jié)構(gòu)光伏器件性能優(yōu)化131-141
• 5.2.1 ZnO納米晶薄膜厚度對(duì)于光伏器件性能的影響131-133
• 5.2.2 ZnO納米薄膜形態(tài)（致密性）的影響133-136
• 5.2.3 ZnO薄膜退火處理溫度的影響136-138
• 5.2.4 ZnO納米棒陣列及其取向性對(duì)于光伏器件性能的影響138-141
• 5.3 反型器件性能周期性衰減現(xiàn)象的研究及其機(jī)理解釋141-151
• 5.3.1 持續(xù)光照對(duì)于反型器件性能的影響141-144
• 5.3.2 持續(xù)光照對(duì)于反型器件壽命的影響144-145
• 5.3.3 ZnO電子傳輸層對(duì)于反型器件“l(fā)ight-soaking”效應(yīng)的影響145-151
• 5.4 Z907光敏染料對(duì)于復(fù)合器件光伏性能的影響151-158
• 5.4.1 Z907染料特性分析152-156
• 5.4.2 Z907染料對(duì)于復(fù)合器件性能的影響156-158
• 5.5 本章小結(jié)158-159
• 參考文獻(xiàn)159-165
• 結(jié)論165-167
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單167-168
• 致謝168-169
• 作者簡(jiǎn)介169

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