基于有機(jī)—無機(jī)雜化的雙層異質(zhì)結(jié)、體異質(zhì)結(jié)及有序納米陣列異質(zhì)結(jié)光伏器件的研究

【摘要】：針對目前人類社會日益增長的能源需求,以太陽能為代表的新能源領(lǐng)域的研究受到越來越多的關(guān)注和支持。無機(jī)半導(dǎo)體材料光伏器件由于其較高的光電轉(zhuǎn)換效率成為目前市場的主體；有機(jī)聚合物光伏器件由于其生產(chǎn)成本低,制作工藝簡單受到比較大的關(guān)注。有機(jī)無機(jī)雜化光伏器件可以結(jié)合有機(jī)材料和無機(jī)材料各自的優(yōu)點(diǎn),因此成為研究的熱門。本論文主要圍繞有機(jī)無機(jī)雜化光伏器件的制備及其機(jī)理進(jìn)行研究,從有機(jī)無機(jī)雜化雙層異質(zhì)結(jié)、有機(jī)無機(jī)雜化混合本體異質(zhì)結(jié)、有機(jī)無機(jī)雜化有序本體異質(zhì)結(jié)幾種不同的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)器件出發(fā),探討了有機(jī)無機(jī)雜化光伏器件的制備及機(jī)理的一些關(guān)鍵問題。(1)采用非晶硅雜化聚合物聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(簡稱P3HT)雙層結(jié)構(gòu)作為有機(jī)無機(jī)雜化雙層異質(zhì)結(jié)的研究對象進(jìn)行光伏性能的研究。1)采用射頻輔助等離子化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備了本征非晶硅、P型非晶硅、N型非晶硅三種材料,并測定了吸收光譜、折射率、及光學(xué)禁帶寬度等參數(shù)；2)將其制備在聚合物P3HT薄膜的表面,形成聚合物/非晶硅雜化結(jié)構(gòu)；并通過光學(xué)顯微鏡分析以及紅外光譜結(jié)構(gòu)鑒定了其成膜質(zhì)量；3)以聚合物/非晶硅雜化結(jié)構(gòu)構(gòu)建了雙層異質(zhì)結(jié)雜化光伏器件并對其展開實(shí)驗(yàn)研究。分別從無機(jī)有機(jī)不同物理機(jī)制對影響該類器件的開路電壓、激子解離、短路電流等方面的機(jī)理進(jìn)行了分析。(2)將炭黑納米顆粒與聚合物P3HT進(jìn)行雜化研究有機(jī)無機(jī)雜化混合本體異質(zhì)結(jié)光伏器件性能。1)對兩種不同的炭黑納米材料的微觀形貌、結(jié)晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征,并嘗試采用表面活性劑來增加炭黑納米顆粒的溶解分散性,從而制備雜化光伏器件；2)采用azomethine ylide反應(yīng)對炭黑納米顆粒進(jìn)行了化學(xué)改性,成功地將長鏈烷基嫁接到納米顆粒的表面,在沒有改變其基本特性的前提下實(shí)現(xiàn)了納米材料的增溶；3)將化學(xué)改性的炭黑納米顆粒摻雜到聚合物：富勒烯本體異質(zhì)結(jié)光伏器件中,使得活性層的空穴遷移率提高一個數(shù)量級,從而提高了器件的光電轉(zhuǎn)化效率. 由此說明無機(jī)納米顆粒對光伏器件性能的改善是有積極作用的。(3)研究了有序氧化鈦納米管陣列的制備方法,并與聚合物P3HT、盤狀分子2,9,16,23-四叔丁基29H,31H-酞菁銅(簡稱tb-CuPc)、3,4,9,10-四取代茈甲酸四甲酯(簡稱tm-Peryleneate)進(jìn)行雜化制備新型的有序結(jié)構(gòu)雜化材料。1)采用兩電極陽極氧化法系統(tǒng)地研究了氧化鈦納米管生長過程中各種因素的影響；2)選擇合適尺寸的氧化鈦納米管,采用真空負(fù)壓的方法將聚合物P3HT材料灌注到氧化鈦納米管中,以制備有序異質(zhì)結(jié)雜化材料并制備了光伏器件,使得光電轉(zhuǎn)化效率提高了32%；3)分別研究并制備了盤狀有機(jī)分子四叔丁基酞菁銅(tb-CuPc)或四取代苝甲酸四甲酯(tm-Peryleneate)與氧化鈦納米管陣列雜化的新型材料并研究了微觀形貌。發(fā)現(xiàn)有序氧化鈦納米管陣列的誘導(dǎo),可以有效地改變盤狀分子的取向狀態(tài),使之從在基片上的edge-on (planar)分子取向改變?yōu)閒ace-on (homeotropic)取向。這是一種有效改變盤狀分子取向的新方法。 【關(guān)鍵詞】：有機(jī)無機(jī)雜化 光伏器件 非晶硅 炭黑納米顆粒 盤狀分子取向
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM914.4;O631
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 雜化結(jié)構(gòu)太陽能電池概述及研究進(jìn)展14-30
• 1.1 引言14-15
• 1.2 有機(jī)無機(jī)雜化光伏器件概述15-21
• 1.2.1 光伏器件基本結(jié)構(gòu)15-17
• 1.2.2 光伏器件基本工作原理17-19
• 1.2.3 光伏器件性能表征19-21
• 1.3 有機(jī)無機(jī)雜化器件材料21-23
• 1.3.1 有機(jī)聚合物材料21-22
• 1.3.2 無機(jī)納米材料22-23
• 1.4 有機(jī)無機(jī)雜化光伏器件的發(fā)展及存在的問題23-27
• 1.4.1 雙層結(jié)構(gòu)光伏器件23-24
• 1.4.2 混合結(jié)構(gòu)光伏器件24-26
• 1.4.3 有序結(jié)構(gòu)光伏器件26-27
• 1.5 本文選題的意義及主要研究內(nèi)容27-30
• 第二章 實(shí)驗(yàn)部分30-38
• 2.1 實(shí)驗(yàn)材料及來源30-31
• 2.2 雜化材料及薄膜表征31-34
• 2.2.1 紅外吸收光譜31
• 2.2.2 紫外可見吸收光譜31-32
• 2.2.3 掃描電子顯微鏡32
• 2.2.4 透射電子顯微鏡32
• 2.2.5 X射線衍射32-33
• 2.2.6 光學(xué)顯微鏡33
• 2.2.7 膜厚測量33
• 2.2.8 差示掃描量熱法33-34
• 2.2.9 橢偏儀34
• 2.2.10 循環(huán)伏安法34
• 2.3 器件制備方法34-36
• 2.3.1 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積34-35
• 2.3.2 真空熱蒸發(fā)35
• 2.3.3 射頻磁控濺射35
• 2.3.4 旋轉(zhuǎn)涂覆法35-36
• 2.4 器件測試設(shè)備36-38
• 2.4.1 半導(dǎo)體特性分析36
• 2.4.2 太陽光模擬器36-37
• 2.4.3 太陽能電池光譜響應(yīng)測量系統(tǒng)37-38
• 第三章 非晶硅/聚合物雜化雙層異質(zhì)結(jié)光伏器件研究38-54
• 3.1 引言38-39
• 3.2 聚合物材料聚(3-己基噻吩)基本性質(zhì)及表征39-41
• 3.2.1 聚(3-己基噻吩)光吸收性能39-40
• 3.2.2 聚(3-己基噻吩)熱動力學(xué)過程測定40-41
• 3.3 非晶硅薄膜的制備與表征41-44
• 3.3.1 等離子化學(xué)氣相沉積制備非晶硅41
• 3.3.2 非晶硅膜層光譜表征41-44
• 3.4 非晶硅與有機(jī)聚合物材料雜化膜層結(jié)構(gòu)的制備及其穩(wěn)定性44-46
• 3.4.1 雜化膜層紅外光譜鑒定45
• 3.4.2 雜化膜層顯微鏡微觀形貌45-46
• 3.5 非晶硅和聚(3-己基噻吩)雜化光伏器件46-52
• 3.5.1 非晶硅聚合物雜化光伏器件結(jié)構(gòu)46-47
• 3.5.2 非晶硅聚合物雜化光伏器件I-V響應(yīng)47-49
• 3.5.3 非晶硅聚合物雜化光伏器件光電流響應(yīng)49-50
• 3.5.4 非晶硅聚合物雜化光伏器件物理機(jī)制50-52
• 3.6 本章小結(jié)52-54
• 第四章 炭黑納米顆粒/聚合物雜化混合異質(zhì)結(jié)光伏器件研究54-78
• 4.1 引言54
• 4.2 炭黑納米顆粒材料表征54-58
• 4.2.1 炭黑納米顆粒微觀形貌表征54-56
• 4.2.2 炭黑納米顆粒晶體結(jié)構(gòu)表征56-58
• 4.3 表面活性劑增溶炭黑納米顆粒及其雜化光伏器件響應(yīng)初探58-65
• 4.3.1 炭黑納米顆粒在不同溶劑中的溶解性探索58-59
• 4.3.2 炭黑納米顆粒的表面活性劑增溶59
• 4.3.3 表面活性劑增溶alfa炭黑的光伏響應(yīng)初探59-62
• 4.3.4 表面活性劑增溶C11炭黑光伏器件初探62-65
• 4.4 炭黑納米顆粒接枝改性及其光伏器件的制備65-76
• 4.4.1 炭黑納米顆粒的接枝改性65-67
• 4.4.2 改性炭黑納米顆粒微觀形貌及結(jié)晶形態(tài)67-70
• 4.4.3 改性炭黑納米顆粒雜化材料的光伏響應(yīng)初探70-76
• 4.5 本章小結(jié)76-78
• 第五章 雜化有序本體異質(zhì)結(jié)光伏器件研究78-118
• 5.1 引言78
• 5.2 有序TiO_2納米管陣列的制備78-99
• 5.2.1 金屬鈦膜的制備及表征78-80
• 5.2.2 電化學(xué)法制備氧化鈦納米管80-84
• 5.2.2.1 陽極氧化法制備氧化鈦納米管80-81
• 5.2.2.2 氧化鈦納米管的表征81-84
• 5.2.3 不同反應(yīng)條件對氧化鈦納米管生長的影響84-98
• 5.2.3.1 反應(yīng)時間對納米管生長的影響84-87
• 5.2.3.2 電壓對納米管生長的影響87-90
• 5.2.3.3 攪拌速度對納米管生長的影響90-95
• 5.2.3.4 溫度對納米管生長的影響95-98
• 5.2.4 小結(jié)98-99
• 5.3 聚(3-己基噻吩)與氧化鈦納米管的雜化99-104
• 5.3.1 聚(3-己基噻吩)與氧化鈦納米管雜化材料制備及檢測99-102
• 5.3.2 聚(3-己基噻吩)與氧化鈦納米管雜化有序本體異質(zhì)結(jié)光伏器件102-103
• 5.3.3 小結(jié)103-104
• 5.4 四叔丁基酞菁銅與氧化鈦納米管的雜化104-111
• 5.4.1 四叔丁基酞菁銅基本性質(zhì)104-107
• 5.4.2 四叔丁基酞菁銅與普通鈦膜雜化微觀形貌107-109
• 5.4.3 四叔丁基酞菁銅與氧化鈦納米管陣列雜化的微觀形貌109-111
• 5.4.4 小結(jié)111
• 5.5 四取代花甲酸四甲酯與氧化鈦納米管的雜化111-116
• 5.5.1 四取代花甲酸四甲酯基本性質(zhì)111-114
• 5.5.2 四取代苝甲酸四甲酯與普通鈦膜雜化微觀形貌114-115
• 5.5.3 四取代花甲酸四甲酯與氧化鈦納米管陣列雜化微觀形貌115-116
• 5.5.4 小結(jié)116
• 5.6 本章小結(jié)116-118
• 第六章 結(jié)論118-121
• 參考文獻(xiàn)121-136
• 作者簡歷及攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果136-140
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集140

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