基于硅納米柱陣列的雜化太陽能電池研究

【摘要】：太陽能作為一種可永續(xù)利用的清潔能源,有著巨大的應(yīng)用潛力,而在對太陽能的有效利用中,光伏發(fā)電技術(shù)(Photovoltaic)是發(fā)展最快的領(lǐng)域。在目前的光伏市場上,以晶硅制備的第一代太陽電池仍然是主流,然而其高昂的發(fā)電成本制約了此類電池的廣泛應(yīng)用。為了降低光伏電池的成本,本工作開展了兩方面的改進:首先是研究具有低成本、高性能,可折疊,生產(chǎn)工藝便捷等一系列特征的有機光伏(Organic Photovoltaic,OPV)器件;其次是通過制備硅納米結(jié)構(gòu)代替平面硅,提升器件的光學和電學性能,并且將有機/無機材料相結(jié)合制備基于硅納米結(jié)構(gòu)的雜化太陽電池器件。基于以上研究思路,本課題一方面采用簡單的真空蒸鍍和旋涂等方法,制備了有機太陽能電池器件;另一方面運用低成本的納米球刻蝕技術(shù)制備尺寸可控的硅納米柱陣列,并在此基礎(chǔ)上制備了硅納米柱/聚合物雜化太陽能電池器件,主要內(nèi)容分為以下三個部分:(1)以zinc phthalocyanine(Zn Pc)/fullerene(C60)有機小分子材料作為太陽能電池活性層,通過在受體(Acceptor)與陰極(Cathode)之間插入陰極緩沖層(Cathode Buffer Layer,CBL)來改善有機太陽能電池的性能。選擇的陰極緩沖層材料為4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline(Bphen),通過改變Bphen層的厚度探索對太陽能電池性能的影響。實驗結(jié)果表明當Bphen層的厚度為10 nm時器件性能最好。在此基礎(chǔ)上,系統(tǒng)研究了體異質(zhì)結(jié)(Bulk Heterojunction,BHJ)結(jié)構(gòu)對器件性能的影響。即在Zn Pc與C60之間添加摻雜層Zn Pc:C60。結(jié)果顯示:當摻雜比率為2:1時,器件功率轉(zhuǎn)換效率(Power Conversion Efficiency,PCE)最高,為0.84%,相對于面異質(zhì)結(jié)(Planar Heterojunction,PHJ)的器件效率提升了55%。(2)以poly(3-hexylthiophene)(P3HT):[6,6]-phenyl C61-butyric acid methyl ester(PCBM)作為有機太陽能電池活性層研究聚合物太陽能電池器件的性能。在這一部分,選擇在活性層和陰極之間插入不同的陰極緩沖層材料,分別為有機物、無機物以及將有機物和無機物摻雜三種不同形式。結(jié)果表明,當金屬陰極材料沉積在活性層時,相對熱的金屬原子會在活性層表面發(fā)生化學反應(yīng)以及擴散到活性層材料中,插入陰極緩沖層會增強電子的傳輸,阻擋激子以及避免電子和空穴淬滅的作用。最終獲得了最高效率為2.78%的太陽能電池器件,相對于未添加摻雜層的器件效率提升了75.9%。(3)通過納米球刻蝕技術(shù)發(fā)展對于有序排列的Si納米柱陣列的可控及低成本制備,并進一步研究基于此的有機/無機雜化太陽能電池:首先利用LB拉膜技術(shù)在n-Si(100)片上制備了Si O2納米粒子點陣單層膜作為掩膜板,采用ICP干法刻蝕制備尺寸可控的Si納米柱陣列。系統(tǒng)研究了直徑(D)及高度(H)等參數(shù)對于Si納米柱陣列的光學性能的影響,得出的結(jié)論是D越小,H越大,Si納米柱陣列的吸光性能越優(yōu)異。最后制備了基于Si納米柱/共軛高分子(PEDOT:PSS)的肖特基雜化太陽能電池器件,通過電流-電壓測試考察了器件的光伏性能。 【關(guān)鍵詞】：有機太陽能電池 陰極緩沖層 硅納米柱陣列 雜化太陽能電池
【學位授予單位】：上海大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 緒論13-31
• 1.1 課題來源13
• 1.2 課題研究的目的及意義13-15
• 1.3 太陽能的利用15-17
• 1.4 太陽能電池分類17-20
• 1.5 有機太陽能電池的結(jié)構(gòu)和工作原理20-23
• 1.5.1 有機太陽能電池的結(jié)構(gòu)20-22
• 1.5.2 有機太陽能電池的工作原理22-23
• 1.6 太陽能電池的研究概況23-29
• 1.6.1 有機太陽能電池的研究概況23-26
• 1.6.2 硅基有機/無機雜化太陽能電池的研究概況26-29
• 1.7 論文的主要內(nèi)容29-31
• 第二章 實驗設(shè)備及太陽能電池性能參數(shù)31-39
• 2.1 實驗所用儀器設(shè)備簡介31-36
• 2.1.1 真空蒸鍍及旋涂設(shè)備31-32
• 2.1.2 太陽能測試設(shè)備32-33
• 2.1.3 LB拉膜系統(tǒng)33-34
• 2.1.4 干法刻蝕系統(tǒng)34-36
• 2.2 太陽能電池性能參數(shù)36-38
• 2.3 本章小結(jié)38-39
• 第三章 有機小分子太陽能電池的研究39-51
• 3.1 引言39-40
• 3.2 器件的制備40-45
• 3.2.1 實驗材料40-42
• 3.2.2 器件的制備和測試42-45
• 3.3 實驗結(jié)果與分析45-49
• 3.3.1 陰極緩沖層（CBL）厚度的研究45-47
• 3.3.2 體異質(zhì)結(jié)（BHJ）的研究47-49
• 3.4 本章小結(jié)49-51
• 第四章 有機高分子太陽能電池的研究51-63
• 4.1 引言51-52
• 4.2 器件的制備52-56
• 4.2.1 實驗材料52-54
• 4.2.2 器件的制備和測試54-56
• 4.3 實驗結(jié)果與分析56-62
• 4.3.1 有機陰極緩沖層材料56-58
• 4.3.2 無機陰極緩沖層材料58-60
• 4.3.3 摻雜陰極緩沖層材料60-62
• 4.4 本章小結(jié)62-63
• 第五章 硅納米柱陣列-PEDOT:PSS雜化太陽電池器件研究63-77
• 5.1 引言63-64
• 5.2 Si納米柱陣列的制備與光學特性的研究64-73
• 5.2.1 SiO_2 納米粒子的表面改性65-66
• 5.2.2 LB拉膜66-67
• 5.2.3 SiO_2 粒子點陣占空比的調(diào)控67-69
• 5.2.4 可控尺寸的Si納米柱陣列的制備69-71
• 5.2.5 Si納米柱陣列的光學特性的研究71-73
• 5.3 太陽能電池器件的制備和性能表征73-76
• 5.3.1 太陽能電池器件的制備73-75
• 5.3.2 太陽能電池器件的性能表征75-76
• 5.4 本章小結(jié)76-77
• 第六章 總結(jié)與展望77-79
• 6.1 總結(jié)77-78
• 6.2 展望78-79
• 參考文獻79-93
• 作者在攻讀碩士學位期間公開發(fā)表的論文93-94
• 作者在攻讀碩士學位期間所作的項目94-95
• 致謝95

您可以在本站搜索以下學術(shù)論文文獻來了解更多相關(guān)內(nèi)容

退火及摻雜對空穴傳輸層PEDOT:PSS電學特性的影響    張亞萍;張建軍;耿新華;趙穎;

聚3,4-乙撐二氧噻吩(PEDOT)-氧化石墨烯復(fù)合電極在有機發(fā)光二極管中的應(yīng)用    陸峰;吳欣凱;何谷峰;

不同摻雜劑對PEDOT∶PSS薄膜結(jié)構(gòu)及其性能的影響    王明暉;宗艷鳳;史高飛;胡俊濤;呂國強;

聚合物太陽電池性能優(yōu)化：活性層、電子傳輸層及其表面修飾    余璇

活性層厚度對體異質(zhì)結(jié)聚合物太陽能電池性能的影響    劉曉東;張福俊;徐征;趙謖玲;宋晶路;厲軍明;宋丹丹;王永生;

不同厚度的活性層及陰極的改變對聚合物太陽電池性能的影響    於黃忠;溫源鑫;

    

醫(yī)用鈦合金表面生物活性層的研究    儲成林;林萍華;董寅生;郭大勇;周俊;

活性層的處理對聚合物電池性能改善及其機制的研究    樊星

活性層摻雜及陰極修飾在聚合物太陽能電池中的應(yīng)用    杜海亮

PPV衍生物/ZnO復(fù)合體系及其光電性能研究    張小舟

導電高分子PPy構(gòu)建種植體表面電生物活性層的應(yīng)用基礎(chǔ)研究    賈駿

有機/聚合物太陽能電池：活性層結(jié)構(gòu)、形貌及光伏性能    薛麗麗

基于硅納米柱陣列的雜化太陽能電池研究    張朝

不同活性層配比對聚合物光伏電池性能的影響    李娜

透明導電膜與活性層界面特性對PSCs性能影響的研究    郝志紅

活性層摻雜技術(shù)提高聚合物太陽能電池性能的機理研究    史江波

活性層修飾對P3HT：PCBM基聚合物太陽能電池性能的影響    韓凌潔

聚合物太陽能電池活性層摻雜濃度對器件性能的影響及極性可變的鈣鈦礦光伏器件的研究    趙勇

聚合物太陽能電池的界面層調(diào)控與活性層設(shè)計研究    劉懿璨

活性層摻雜對聚合物太陽能電池的性能影響研究    孫璐

聚合物太陽能電池活性層摻雜及器件制備技術(shù)研究    劉博雅