ZnO、CdS(Se)納米結(jié)構(gòu)對(duì)倒置聚合物太陽能電池性能的影響

【摘要】：有機(jī)太陽能電池在大規(guī)模生產(chǎn)低成本、柔性可卷曲的產(chǎn)品方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。但是，由于有機(jī)光敏材料存在激子擴(kuò)散長度較短、電子傳輸速率較低的問題，限制了其應(yīng)用。利用遷移率較高的無機(jī)納米材料作為電子傳輸層，可提高電子的傳導(dǎo)能力，以此提高器件的能量轉(zhuǎn)化效率。在無機(jī)納米材料中，由于II-VI化合物納米材料如CdS、CdSe以及ZnO等的載流子遷移率高，所以其在有機(jī)太陽能電池中的應(yīng)用備受矚目。 理想的電子傳輸層除了要求材料具備高的載流子遷移率外，還需要提供更多的激子分離界面以及直接的電子傳輸通道，使光敏活性層產(chǎn)生的光生電子快速并有效地傳輸至電極，以提高器件的光電轉(zhuǎn)化效率。為了解決這一問題，我們?cè)贑dS、CdSe和ZnO納米材料優(yōu)化有機(jī)太陽能電池電子傳輸方面做了相應(yīng)研究，主要包括結(jié)晶性良好的CdS、CdSe納米材料和多孔ZnO納米材料作為電子傳輸層對(duì)倒置有機(jī)太陽能電池性能的優(yōu)化，以及利用紫外臭氧對(duì)ZnO納米薄膜缺陷鈍化后作為電子傳輸層對(duì)倒置有機(jī)太陽能電池性能的影響。 首先，具有良好結(jié)晶性的CdS納米片、網(wǎng)孔狀CdS納米材料和網(wǎng)孔狀CdSe納米材料可以與傳統(tǒng)光敏活性層能級(jí)匹配良好，且這些高結(jié)晶性材料自身晶界較少，所以捕獲電子的缺陷密度也會(huì)相應(yīng)減小。最主要的是具有片狀以及網(wǎng)孔狀結(jié)構(gòu)的CdS（Se）材料具備更高的比表面積，為激子提供了更多的分離界面以及傳輸通道。正由于這些納米結(jié)構(gòu)材料具有上述優(yōu)點(diǎn)，所以我們將其作為電子傳輸層分別應(yīng)用在倒置有機(jī)太陽能電池的制備中。通過對(duì)這些材料厚度以及電池活性層厚度進(jìn)行優(yōu)化，使電池器件性能得以優(yōu)化。 其次，由于ZnO無毒環(huán)保，且制備工藝簡單，所以通過水熱法制備了多孔、高結(jié)晶性的三維ZnO納米花材料代替CdS（Se）納米結(jié)構(gòu)材料作為電子傳輸層對(duì)倒置有機(jī)太陽能電池進(jìn)行優(yōu)化。其中，重點(diǎn)研究了不同生長時(shí)間下（6h，9h和12h）的ZnO材料的形貌及光電性能。結(jié)果表明反應(yīng)9h的多孔ZnO納米花材料具有較高透光率、低缺陷密度以及高載流子遷移率等優(yōu)點(diǎn)，是較為理想的電子傳輸層材料。最后將這些材料應(yīng)用于有機(jī)太陽能電池的制備中。器件性能測試結(jié)果證明，以生長時(shí)間為9h的多孔ZnO納米花材料作為電子傳輸層的器件性能最佳。與無ZnO修飾層的參比器件相比，其短路電流密度和光電轉(zhuǎn)化效率明顯提高，分別達(dá)到了5.68mA/cm2和1.24%。 最后，為改善多孔ZnO納米花材料的電子傳輸性能，我們先對(duì)ZnO納米花的晶種層ZnO納米薄膜進(jìn)行了優(yōu)化。即將ZnO納米薄膜進(jìn)行快速紫外臭氧處理后應(yīng)用于電池器件中，并對(duì)紫外臭氧處理時(shí)間對(duì)器件性能的影響進(jìn)行分析研究。紫外臭氧處理20s后的ZnO電池器件短路電流與能量轉(zhuǎn)換效率分別提高了8.22%和12.42%。經(jīng)過優(yōu)化后的電池器件還表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。我們認(rèn)為臭氧處理可以填補(bǔ)ZnO納米薄膜中的氧空位缺陷，從而減小ZnO納米薄膜與聚合物之間的內(nèi)電阻，提高電子傳輸效率，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化多孔ZnO納米花性能的目的。 【關(guān)鍵詞】：高結(jié)晶性 多孔 氧缺陷 倒置有機(jī)太陽能電池
【學(xué)位授予單位】：天津理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 緒論9-21
• 1.1 引言9
• 1.2 有機(jī)太陽能電池的基本理論9-12
• 1.2.1 有機(jī)太陽能電池的工作原理9-10
• 1.2.2 有機(jī)太陽能電池的主要參數(shù)10-11
• 1.2.3 有機(jī)太陽能電池的研究現(xiàn)狀11-12
• 1.3 倒置有機(jī)太陽能電池12-18
• 1.3.1 倒置有機(jī)太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀12-15
• 1.3.2 ZnO、CdS(Se)半導(dǎo)體材料的研究進(jìn)展15-18
• 1.4 論文研究內(nèi)容及意義18-21
• 第二章 CdS（Se）納米材料電子傳輸層對(duì)電池性能的優(yōu)化21-30
• 2.1 引言21
• 2.2 實(shí)驗(yàn)21-22
• 2.3 網(wǎng)孔狀 CdSe 對(duì)器件性能的影響22-24
• 2.4 CdS 納米片對(duì)器件性能的影響24-25
• 2.5 網(wǎng)孔狀 CdS 對(duì)器件性能的影響25-29
• 2.5.1 網(wǎng)孔狀 CdS 器件 J-V 分析25-27
• 2.5.2 網(wǎng)孔狀 CdS 材料形貌分析27-28
• 2.5.3 網(wǎng)孔狀 CdS 與 CdSe 對(duì)器件性能影響的對(duì)比分析28-29
• 2.6 結(jié)論29-30
• 第三章 多孔 ZnO 納米花電子傳輸層對(duì)電池性能的優(yōu)化30-43
• 3.1 引言30
• 3.2 實(shí)驗(yàn)30-33
• 3.2.1 FTO 導(dǎo)電玻璃的清洗31
• 3.2.2 ZnO 晶種層的制備31
• 3.2.3 多孔 ZnO 納米花的制備31-32
• 3.2.4 多孔 ZnO 納米花電池的制備32-33
• 3.3 ZnO 納米花對(duì)器件性能的影響33-42
• 3.3.1 多孔 ZnO 納米花形貌分析33-34
• 3.3.2 多孔 ZnO 納米花晶體結(jié)構(gòu)分析34-36
• 3.3.3 多孔 ZnO 納米花的光學(xué)性能分析36-37
• 3.3.4 多孔 ZnO 納米花對(duì)器件性能影響的分析37-40
• 3.3.5 CdS 納米片與多孔 ZnO 納米花對(duì)器件性能影響的比較40-42
• 3.4 結(jié)論42-43
• 第四章 臭氧處理對(duì) ZnO 納米薄膜及其電池性能的優(yōu)化43-58
• 4.1 引言43
• 4.2 實(shí)驗(yàn)43-45
• 4.2.1 ITO 導(dǎo)電玻璃的清洗44
• 4.2.2 溶膠-凝膠法制備 ZnO 納米顆粒44
• 4.2.3 ZnO 納米薄膜電子傳輸層有機(jī)太陽能電池的制備44-45
• 4.3 臭氧處理時(shí)間對(duì)器件性能的影響45-57
• 4.3.1 ZnO 納米薄膜表面性能分析45-46
• 4.3.2 ZnO 納米薄膜表面電勢分析46-48
• 4.3.3 ZnO 納米薄膜 XPS 分析48-49
• 4.3.4 ZnO 納米薄膜材料及器件的光電性能分析49-50
• 4.3.5 ZnO 納米薄膜對(duì)器件 J-V 的影響50-52
• 4.3.6 ZnO 納米薄膜對(duì)器件穩(wěn)定性的影響52-54
• 4.3.7 優(yōu)化晶種層對(duì)多孔 ZnO 納米花性能的優(yōu)化54-57
• 4.4 結(jié)論57-58
• 第五章 全文總結(jié)及展望58-60
• 5.1 論文總結(jié)58-59
• 5.2 展望59-60
• 參考文獻(xiàn)60-66
• 發(fā)表論文和科研情況說明66-67
• 致謝67-68

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