水相加工的聚合物納米晶雜化太陽(yáng)能電池的性能優(yōu)化及機(jī)理研究

【摘要】：水作為溶劑加工制備太陽(yáng)能電池具有環(huán)境友好、生產(chǎn)安全性高等優(yōu)點(diǎn),一直是研究人員奮斗的目標(biāo)。目前,水相加工的太陽(yáng)能電池效率普遍偏低,主要原因是通常使用的受體為光吸收貢獻(xiàn)很小的富勒烯衍生物和金屬氧化物。無(wú)機(jī)半導(dǎo)體納米晶由于其可調(diào)的光電性質(zhì)和高消光系數(shù)被用于與聚合物復(fù)合制備無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化太陽(yáng)能電池。在這種電池中,納米晶作為受體可以很好的彌補(bǔ)富勒烯衍生物光吸收貢獻(xiàn)小的缺點(diǎn)。在此背景下,本論文針對(duì)水相加工的聚合物納米晶雜化太陽(yáng)能電池,從器件結(jié)構(gòu)、工作原理及材料設(shè)計(jì)等方面開展了一系列創(chuàng)新性的研究。從關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)來(lái)講,本論文在水相加工的聚合物納米晶雜化太陽(yáng)能電池的貢獻(xiàn)如下:率先研究了器件結(jié)構(gòu)對(duì)器件性能的影響,并以此實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換效率的提升。首次制備了水相加工的納米晶電池并詳細(xì)研究了其特點(diǎn)。闡明或解決了聚合物納米晶雜化太陽(yáng)能電池中的關(guān)鍵問(wèn)題,包括形貌控制、聚合物納米晶相互作用、異質(zhì)節(jié)本質(zhì)三個(gè)方面。具體來(lái)講,本論文的工作歸納為如下三個(gè)方面。1、在第二章中我們合成了水溶性聚芳基乙炔前驅(qū)體和巰基乙胺穩(wěn)定的Cd Te納米晶,并以此為活性層材料制備了水相加工的雜化太陽(yáng)能電池。我們?cè)敿?xì)研究了器件結(jié)構(gòu)及界面修飾材料對(duì)器件性能的影響。通過(guò)水相法及熱退火處理,我們解決了聚合物納米晶微觀形貌難于控制的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了載流子的有效分離及傳輸。通過(guò)設(shè)計(jì)n-i結(jié)構(gòu)的活性層實(shí)現(xiàn)了活性層光吸收與載流子傳輸之間的平衡,得到了4.76%的效率,該效率為當(dāng)時(shí)雜化太陽(yáng)能電池效率的記錄。2、在第三章中我們制備了水相加工的Cd Te納米晶太陽(yáng)能電池。通過(guò)退火處理Cd Te納米晶薄膜,由于鎘離子與表面巰基配體的反應(yīng),我們發(fā)現(xiàn)原位生成了Cd Te-Cd S體相異質(zhì)節(jié)。這是一種新的制備納米尺度的全無(wú)機(jī)體相異質(zhì)節(jié)的方法。隨后,我們通過(guò)改變退火溫度實(shí)現(xiàn)了對(duì)體相異質(zhì)節(jié)的組成、電荷轉(zhuǎn)移、重組及傳輸?shù)恼{(diào)控。3、在第四章中我們?cè)谏弦徽鹿ぷ鞯幕A(chǔ)上提出從聚合物修飾納米晶這一新的角度去認(rèn)識(shí)聚合物納米晶雜化太陽(yáng)能電池。這一思路能有效的避免了聚合物向納米晶激子解離效率低的問(wèn)題。我們通過(guò)探討器件開路電壓與聚合物HOMO能級(jí)和納米晶費(fèi)米能級(jí)的關(guān)系發(fā)現(xiàn)水相加工雜化太陽(yáng)能電池遵循p-n節(jié)而不是傳統(tǒng)認(rèn)為的type-II異質(zhì)節(jié)。此外,我們將納米晶電池與雜化太陽(yáng)能電池對(duì)比探討了聚合物的作用。我們通過(guò)對(duì)器件性能與退火溫度的關(guān)系的探討,發(fā)現(xiàn)活性層的加工方法是限制器件性能的一個(gè)主要因素。因此,我們開發(fā)了后擴(kuò)散法制備體相異質(zhì)節(jié)的方法,實(shí)現(xiàn)器件性能的大幅度提升。綜上所述,我們通過(guò)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)得到了綠色高效的聚合物納米晶雜化太陽(yáng)能電池,并深入探討了器件的工作原理,提出了聚合物修飾的納米晶電池這一新觀點(diǎn)。本論文對(duì)聚合物納米晶雜化太陽(yáng)能電池的發(fā)展及綠色環(huán)保的太陽(yáng)能電池制備具有借鑒意義。 【關(guān)鍵詞】：聚合物電池 雜化太陽(yáng)能電池 水相加工 納米晶 無(wú)機(jī)有機(jī)雜化 載流子動(dòng)力學(xué)
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O631;TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第1章14-46
• 1.1 引言14-15
• 1.2 水溶液加工的聚合物太陽(yáng)能電池15-23
• 1.2.1 側(cè)鏈為氨基的導(dǎo)電聚合物15-16
• 1.2.2 側(cè)鏈為負(fù)電或中性的導(dǎo)電聚合物16-19
• 1.2.3 聚芳基乙炔類導(dǎo)電聚合物19-20
• 1.2.4 微乳液納米粒子20-23
• 1.3 聚合物納米晶雜化太陽(yáng)能電池23-31
• 1.3.1 聚合物納米晶雜化太陽(yáng)能電池的基本原理23-25
• 1.3.2 聚合物納米晶雜化太陽(yáng)能電池的表征25-28
• 1.3.3 限制聚合物納米晶雜化太陽(yáng)能電池性能的關(guān)鍵因素28-30
• 1.3.4 聚合物納米晶雜化太陽(yáng)能電池的器件結(jié)構(gòu)30-31
• 1.4 納米晶太陽(yáng)能電池31-36
• 1.4.1 納米晶太陽(yáng)能電池的基本原理32
• 1.4.2 納米晶太陽(yáng)能電池的影響因素及表征32-34
• 1.4.3 納米晶太陽(yáng)能電池的器件結(jié)構(gòu)34-36
• 1.5 本論文的設(shè)計(jì)思想與研究?jī)?nèi)容36-37
• 1.6 參考文獻(xiàn)37-46
• 第2章 水溶液加工的雜化太陽(yáng)能電池的器件結(jié)構(gòu)與性能46-71
• 2.1 引言46-47
• 2.2 水溶液加工的正式雜化太陽(yáng)能電池及活性層熱穩(wěn)定性47-52
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)部分47-48
• 2.2.1.1 實(shí)驗(yàn)原料47
• 2.2.1.2 材料合成47
• 2.2.1.3 器件制備47-48
• 2.2.1.4 表征儀器48
• 2.2.2 結(jié)果與討論48-52
• 2.2.2.1 材料表征48-49
• 2.2.2.2 器件制備及表征49-50
• 2.2.2.3 雜化薄膜的熱穩(wěn)定性50-52
• 2.3 水溶液加工的反式雜化太陽(yáng)能電池52-59
• 2.3.1 實(shí)驗(yàn)部分52-54
• 2.3.1.1 實(shí)驗(yàn)原料52
• 2.3.1.2 材料合成52-53
• 2.2.1.3 器件制備53
• 2.3.1.4 表征儀器53-54
• 2.3.2 結(jié)果與討論54-59
• 2.3.2.1 器件制備54
• 2.3.2.2 界面層的作用54-57
• 2.3.2.3 正反結(jié)構(gòu)器件性能對(duì)比57-58
• 2.3.2.4 微觀形貌與器件性能的關(guān)系58-59
• 2.4 水溶液加工的n-i結(jié)構(gòu)雜化太陽(yáng)能電池59-66
• 2.4.1 實(shí)驗(yàn)部分59-61
• 2.4.1.1 實(shí)驗(yàn)原料59-60
• 2.4.1.2 材料合成60
• 2.4.1.3 器件制備60
• 2.4.1.4 表征儀器60-61
• 2.4.2 結(jié)果與討論61-66
• 2.4.2.1 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與可行性61-63
• 2.4.2.2 器件性能63-66
• 2.5 本章小結(jié)66-67
• 2.6 參考文獻(xiàn)67-71
• 第3章 水溶液加工的納米晶太陽(yáng)能電池71-92
• 3.1 引言71
• 3.2 水溶液加工的CdTe納米晶太陽(yáng)能電池71-79
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)部分71-72
• 3.2.1.1 實(shí)驗(yàn)原料71-72
• 3.2.1.2 材料合成72
• 3.2.1.3 器件制備72
• 3.2.1.4 表征儀器72
• 3.2.2 結(jié)果與討論72-79
• 3.2.2.1 CdS的生成73-74
• 3.2.2.2 CdTe-CdS異質(zhì)節(jié)的生成74-79
• 3.3 退火溫度對(duì)納米晶電池性能及載流子動(dòng)力學(xué)的影響79-90
• 3.3.1 實(shí)驗(yàn)部分79-80
• 3.3.1.1 實(shí)驗(yàn)原料79
• 3.3.1.2 材料合成79
• 3.3.1.3 器件制備79
• 3.3.1.4 表征儀器79-80
• 3.3.2 結(jié)果與討論80-90
• 3.3.2.1 納米晶的生長(zhǎng)80-81
• 3.3.2.2 退火溫度對(duì)載流子動(dòng)力學(xué)的影響81-84
• 3.3.2.3 退火溫度對(duì)器件性能的影響84-87
• 3.3.2.4 器件工作原理87-90
• 3.4 本章小結(jié)90
• 3.5 參考文獻(xiàn)90-92
• 第4章 聚合物修飾的納米晶電池92-120
• 4.1 引言92-93
• 4.2 MPPV-CdTe雜化太陽(yáng)能電池及聚合物的作用93-102
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)部分93-94
• 4.2.1.1 實(shí)驗(yàn)原料93
• 4.2.1.2 材料合成93
• 4.2.1.3 器件制備93-94
• 4.2.1.4 表征儀器94
• 4.2.2 結(jié)果與討論94-102
• 4.2.2.1 MPPV的合成及表征94-96
• 4.2.2.2 器件性能96-97
• 4.2.2.3 MPPV的作用97-102
• 4.3 異質(zhì)節(jié)本質(zhì)及器件優(yōu)化102-113
• 4.3.1 實(shí)驗(yàn)部分102-104
• 4.3.1.1 實(shí)驗(yàn)原料102
• 4.3.1.2 材料合成102-103
• 4.3.1.3 器件制備103
• 4.3.1.4 表征儀器103-104
• 4.3.2 結(jié)果與討論104-113
• 4.3.2.1 器件結(jié)構(gòu)及材料表征104-106
• 4.3.2.2 器件結(jié)構(gòu)及材料表征106-108
• 4.3.2.3 聚合物的作用108-110
• 4.3.2.4 器件優(yōu)化110-113
• 4.4 后擴(kuò)散法制備體相異質(zhì)節(jié)113-117
• 4.4.1 實(shí)驗(yàn)部分113-114
• 4.4.1.1 實(shí)驗(yàn)原料113-114
• 4.4.1.2 材料合成114
• 4.4.1.3 器件制備114
• 4.4.1.4 表征儀器114
• 4.4.2 結(jié)果與討論114-117
• 4.4.2.1 孔洞形成115-116
• 4.4.2.2 器件性能116-117
• 4.5 本章小結(jié)117-118
• 4.6 參考文獻(xiàn)118-120
• 第5章 結(jié)論120-122
• 作者簡(jiǎn)介及攻讀學(xué)位期間取得的學(xué)術(shù)成果122-126
• 致謝126

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