Ⅰ-Ⅵ族納米晶薄膜材料的室溫原位合成及在雜化薄膜太陽能電池中的應(yīng)用

【摘要】：目前的太陽能電池器件生產(chǎn)制作過程中,存在著原材料生產(chǎn)能耗高、pn結(jié)制備能耗高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜等缺點(diǎn),而利用低溫軟化學(xué)制備技術(shù)獲得一種具有較好光電性能的窄帶隙材料,并在低溫條件下與有機(jī)半導(dǎo)體材料直接構(gòu)成pn結(jié),進(jìn)而組裝成具有一定光電轉(zhuǎn)化效率的太陽能電池器件是解決上述能耗問題及復(fù)雜工藝問題的重要突破口。本文利用低溫／室溫的軟化學(xué)合成方法,在金屬箔片及ITO導(dǎo)電玻璃等基底表面原位制備出具有納米片狀結(jié)構(gòu)的Ag2S,CuS,Ag3CuS2等I-VI族化合物半導(dǎo)體薄膜材料并對反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了研究。該合成方法具有低能耗、反應(yīng)物簡單、溶劑可重復(fù)使用、后處理容易、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),克服了傳統(tǒng)濺射、溶劑熱、熱蒸發(fā)、熱注入等方法所面臨的設(shè)備昂貴、高能耗、高溫高壓、后處理繁瑣等缺點(diǎn)。本文對所合成的I-VI族化合物半導(dǎo)體薄膜材料進(jìn)行了系統(tǒng)的光電性能測試,結(jié)果表明三種材料都具有較好的近紅外區(qū)光吸收性質(zhì),特別是合成的Ag2S和Ag3CuS2片狀納米晶薄膜具有較好的光電響應(yīng),且表現(xiàn)出n型半導(dǎo)體的電流特征。在成功合成I-VI族化合物片狀納米晶半導(dǎo)體薄膜的基礎(chǔ)上,首次將紅外光區(qū)吸收的窄帶隙半導(dǎo)體材料Ag2S與有機(jī)共軛聚合物半導(dǎo)體材料P3HT雜化,設(shè)計(jì)并組裝了以無機(jī)Ag2S納米晶薄膜為主要光吸收層的有機(jī)/無機(jī)雜化薄膜太陽能電池器件,并對器件制備過程中多種影響光電轉(zhuǎn)化效率的因素進(jìn)行了討論,最終在以氯苯為溶劑的條件下制備出具有ITO/Ag2S:P3HT/Au結(jié)構(gòu)的雜化太陽能電池器件并獲得了2.04%的光電轉(zhuǎn)化效率。值得注意的是,該種雜化薄膜太陽能電池可以獲得高達(dá)20mA/cm2的短路電流密度。在以上Ag2S:P3HT太陽能電池器件的基礎(chǔ)上,本文還成功制備出Ag3CuS2三元化合物半導(dǎo)體薄膜材料并初步完成了具有ITO/Ag3CuS2:P3HT/MoO3/Ag結(jié)構(gòu)的有機(jī)/無機(jī)雜化薄膜太陽能電池器件的組裝和相關(guān)性能測試,在AM1.5G的模擬太陽光下獲得了0.39%的光電轉(zhuǎn)化效率。 本文創(chuàng)新點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)利用室溫軟化學(xué)方法,在ITO導(dǎo)電玻璃表面原位制備出具有片狀納米晶陣列結(jié)構(gòu)的Ag2S, CuS, Ag3CuS2等光電半導(dǎo)體薄膜材料；(2)整個(gè)材料制備和器件組裝過程都在室溫下進(jìn)行,使用的溶劑可以重復(fù)利用,幾乎無能耗；(3)所得硫化物無機(jī)納米晶薄膜的納米片狀陣列結(jié)構(gòu)有利于同共軛有機(jī)分子構(gòu)建完美的網(wǎng)絡(luò)互穿結(jié)構(gòu)并形成有序的本體異質(zhì)結(jié)；(4)在目前文獻(xiàn)報(bào)道的有機(jī)/無機(jī)雜化薄膜太陽能電池器件中,所組裝的以Ag2S:P3HT為活性層的器件具有從紫外區(qū)到近紅外區(qū)最寬的太陽光譜響應(yīng)和較高的短路電流密度；(5)這種原位構(gòu)建的太陽能電池器件具有良好的化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性以利于今后工業(yè)化生產(chǎn)。 我們將以此為指導(dǎo)來設(shè)計(jì)制備各種基于Ⅰ-Ⅵ族納米晶的微觀有序本體異質(zhì)結(jié)薄膜太陽能電池,通過對器件內(nèi)部界面微結(jié)構(gòu)的調(diào)控及優(yōu)化,進(jìn)一步提高此類新型低能耗、低成本電池器件的光電轉(zhuǎn)換效率。本課題的開展將對本體異質(zhì)結(jié)薄膜太陽能電池的理論研究和光伏性能提升產(chǎn)生積極的推動(dòng)作用。 【關(guān)鍵詞】：Ⅰ-Ⅵ族 硫化物 室溫 Ag_2S CuS Ag_3CuS_2 薄膜 雜化 太陽能電池器件
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TM914.42
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目錄9-11
• 第一章 前言11-24
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 研究現(xiàn)狀12-16
• 1.2.1 CdSe雜化薄膜太陽能電池12-13
• 1.2.2 CdS雜化薄膜太陽能電池13-14
• 1.2.3 TiO_2雜化薄膜太陽能電池14-15
• 1.2.4 ZnO雜化薄膜太陽能電池15-16
• 1.3 有機(jī)無機(jī)雜化薄膜太陽能電池原理及表征方法16-23
• 1.3.1 有機(jī)無機(jī)雜化薄膜太陽能電池原理16
• 1.3.2 相關(guān)參數(shù)16-22
• 1.3.3 測試方法22-23
• 1.4 本課題的選題意義及取得的進(jìn)展23-24
• 第二章 基于Ag_2S的雜化薄膜太陽能電池器件24-47
• 2.1 前言24-26
• 2.2 硫化銀納米晶薄膜的室溫原位合成及表征26-31
• 2.2.1 儀器設(shè)備26
• 2.2.2 銀片及導(dǎo)電玻璃ITO的處理26-27
• 2.2.3 磁控濺射金屬銀薄膜27
• 2.2.4 室溫原位制備硫化銀納米晶薄膜27-28
• 2.2.5 薄膜的組成及形貌表征28-31
• 2.3 有機(jī)無機(jī)雜化薄膜太陽能電池器件的組裝及優(yōu)化31-43
• 2.3.1 有機(jī)無機(jī)雜化薄膜太陽能電池器件的組裝31-35
• 2.3.2 P3HT濃度對器件性能的影響35-36
• 2.3.3 不同功函數(shù)的電極對器件性能的影響36-39
• 2.3.4 高沸點(diǎn)溶劑對器件性能的影響39-42
• 2.3.5 不同p型有機(jī)半導(dǎo)體對器件性能的影響42-43
• 2.4 Ag_2S：P3HT器件的光響應(yīng)43-46
• 2.5 本章小結(jié)46-47
• 第三章 硫化銅薄膜的原位合成及其光電性能討論47-60
• 3.1 前言47-48
• 3.2 硫化銅納米晶薄膜的室溫合成及其表征48-56
• 3.2.1 銅片基底上樣品的制備及表征48-52
• 3.2.2 硫化銅片狀晶體的生長機(jī)理討論52-53
• 3.2.3 磨砂玻璃基底上硫化銅薄膜的制備及表征53-54
• 3.2.4 導(dǎo)電ITO玻璃基底上銅的硫化物薄膜的制備及表征54-56
• 3.3 光學(xué)性能表征56-57
• 3.4 電化學(xué)性能測試57-58
• 3.5 本章小結(jié)58-60
• 第四章 基于三元硫化物Ag_3CuS_2的雜化薄膜太陽能電池器件60-68
• 4.1 前言60-61
• 4.2 硫化銅銀薄膜的室溫合成及其表征61-64
• 4.2.1 硫化銅銀薄膜的室溫合成61
• 4.2.2 硫化銅銀薄膜的表征61-64
• 4.3 雜化薄膜太陽能電池器件組裝及性能測試64-66
• 4.3.1 器件組裝64-65
• 4.3.2 器件性能測試65-66
• 4.4 光電響應(yīng)66-67
• 4.5 本章小結(jié)67-68
• 總結(jié)及下一步工作展望68-70
• 參考文獻(xiàn)70-76
• 碩士期間成果76-78
• 致謝78

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