噴霧熱解法制備ZnO薄膜及在聚合物太陽能電池中的應(yīng)用

【摘要】：ZnO是一種性能優(yōu)異的電子傳輸層(ETL)材料,能有效提高聚合物太陽能電池(PSC)器件的轉(zhuǎn)換效率,同時也是最有希望實現(xiàn)卷對卷生產(chǎn)的ETL材料之一。噴霧熱解技術(shù)具有低成本、大面積制備等優(yōu)勢,適合于ZnO薄膜的制備,但目前采用噴霧熱解法(SP)制備ZnO薄膜用于有機光電器件的報道依然較少。本文研究了不同溶液體系下制備ZnO薄膜的工藝參數(shù)對ZnO薄膜性質(zhì)的影響,及對PSC器件性能的影響規(guī)律。XRD結(jié)果表明以硝酸鋅甲醇溶液作為前驅(qū)液,利用SP技術(shù),在350-450℃下制備出了六角鉛鋅礦結(jié)構(gòu)ZnO薄膜。通過SEM觀察發(fā)現(xiàn)薄膜致密,晶粒尺寸均勻,晶界隨襯底溫度升高而變得更清晰;XRD和SEM測試結(jié)果表明,較高的襯底溫度可以使薄膜獲得更好的結(jié)晶性,當(dāng)襯底溫度超過450℃時薄膜沿著C軸取向生長;光譜測試結(jié)果顯示所有樣品在可見光波段的透光率達(dá)80%以上,且透光率隨制備溫度升高而升高;電學(xué)測試結(jié)果表明,制備的皆為高阻的ZnO薄膜。將ZnO薄膜用作PSC器件的ETL,測試結(jié)果表明ZnO薄膜的襯底溫度在400℃左右時,其電子傳輸性能最好,器件的光電轉(zhuǎn)換效率最高,達(dá)2.80%。針對普通SP制備ZnO薄膜襯底溫度過高的問題,發(fā)展出了一種在120-250℃的低溫下制備ZnO薄膜的方法。首先采用熱重-差示掃描量熱分析儀(TG-DSC)分析前驅(qū)體熱力學(xué)性質(zhì),確定了制備薄膜的襯底溫度。XRD結(jié)果表明制備的ZnO薄膜為六方鉛鋅礦結(jié)構(gòu),無晶面擇優(yōu)取向生長優(yōu)勢。隨著襯底溫度的升高,薄膜的晶粒和粗糙度增大。400-800nm波段平均透過率超過80%以上,無論是晶粒尺寸還是透光率都高于采用可溶性鋅鹽制備的ZnO薄膜。試驗將低溫制備的Zn O薄膜作為PSC器件的ETL,測試表明ZnO薄膜的襯底溫度為200℃和厚度為50nm時,器件的光電轉(zhuǎn)換效率最高,達(dá)3.05%。與可溶性鋅鹽作為前驅(qū)液制備的ZnO薄膜獲得相同的效果,PSC器件性能卻有很大提升,但襯底溫度卻大幅降低,可以用于制備柔性PSC器件。 【關(guān)鍵詞】：ZnO薄膜 超聲噴霧熱解法 電子傳輸材料 聚合物太陽能電池
【學(xué)位授予單位】：重慶理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O484.1
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 緒論10-20
• 1.1 ZnO簡介10-11
• 1.2 ZnO薄膜制備方法介紹11-12
• 1.2.1 磁控濺射法(MS)11
• 1.2.2 金屬有機物化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)11-12
• 1.2.3 脈沖激光沉積法(PLD)12
• 1.2.4 分子束外延法(MBE)12
• 1.2.5 溶膠凝膠法(Sol-gel)12
• 1.2.6 噴霧熱解法(SP)12
• 1.3 襯底溫度在SP法制備Zn O薄膜過程中的重要性12-15
• 1.4 ZnO薄膜在聚合物太陽能電池(PSC)中的應(yīng)用15-18
• 1.4.1 PSC簡介15
• 1.4.2 體異質(zhì)結(jié)PSC的結(jié)構(gòu)與工作原理15-17
• 1.4.3 PSC的主要性能參數(shù)17
• 1.4.4 ZnO薄膜作為PSC器件ETL的性能17-18
• 1.5 本文主要研究工作18-20
• 2 SP法制備ZnO薄膜的基礎(chǔ)及表征20-24
• 2.1 SP技術(shù)的設(shè)備與工作原理20-21
• 2.2 襯底溫度對ZnO薄膜沉積過程的影響21-22
• 2.3 主要原料及相關(guān)儀器檢測設(shè)備22-23
• 2.3.1 主要原料與設(shè)備22
• 2.3.2 Zn O薄膜的主要表征手段與設(shè)備22-23
• 2.4 本章小結(jié)23-24
• 3 基于可溶性鋅鹽溶液SP法制備ZnO薄膜研究24-38
• 3.1 基于Zn(NO3)2 溶液SP法制備Zn O薄膜工藝流程24-28
• 3.1.1 前驅(qū)液配置24
• 3.1.2 襯底清洗24-25
• 3.1.3 ZnO薄膜的制備25-28
• 3.2 襯底溫度對ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)與形貌影響28-29
• 3.2.1 ZnO薄膜晶體結(jié)構(gòu)28
• 3.2.2 ZnO薄膜的表面、斷面形貌28-29
• 3.3 襯底溫度對ZnO薄膜的性能影響29-31
• 3.3.1 ZnO薄膜光學(xué)性能29-30
• 3.3.2 ZnO薄膜電學(xué)性能30-31
• 3.4 其他制備工藝參數(shù)對制備ZnO薄膜的影響31-33
• 3.4.1 前驅(qū)液濃度的影響31-32
• 3.4.2 影響薄膜宏觀形貌的因素32
• 3.4.3 襯底材質(zhì)的影響32-33
• 3.4.4 ZnO薄膜的摻雜33
• 3.5 ZnO薄膜作為PSC器件ETL的性能33-37
• 3.5.1 ZnO ETL制備33
• 3.5.2 PSC器件制備33-35
• 3.5.3 PSC器件的性能測試35-37
• 3.6 本章小結(jié)37-38
• 4 低溫超聲噴霧熱解法(LT-USP)制備Zn O薄膜及其對反型PSC器件性能的影響38-56
• 4.1 鋅氨溶液的熱穩(wěn)定性研究38-39
• 4.2 LT-USP法制備ZnO薄膜的工藝39-42
• 4.2.1 前驅(qū)液的配制39-40
• 4.2.2 襯底的清洗40
• 4.2.3 Zn O薄膜的制備40-42
• 4.3 ZnO薄膜成分、結(jié)構(gòu)、形貌和性能的表征42-49
• 4.3.1 成分分析42-44
• 4.3.2 結(jié)構(gòu)分析44-45
• 4.3.3 表面和斷面形貌分析45-48
• 4.3.4 Zn O薄膜光學(xué)性能分析48-49
• 4.4 基于LT-USP制備ZnO ETL的PSC器件49-55
• 4.4.1 Zn O ETL的制備49
• 4.4.2 PSC器件制備49-50
• 4.4.3 PSC器件的性能研究50-54
• 4.4.4 基于ZnO薄膜的大面積、柔性PSC器件初步研究54-55
• 4.5 本章小結(jié)55-56
• 5 總結(jié)與展望56-58
• 5.1 總結(jié)56-57
• 5.2 展望57-58
• 參考文獻(xiàn)58-64
• 致謝64-66
• 個人簡歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及取得的研究成果66

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