有機—無機雜化光伏電池中的界面效應(yīng)及調(diào)控研究

【摘要】：本論文以硅-共軛導(dǎo)電聚合物雜化光伏器件為基礎(chǔ)，研究了硅/聚合物的界面形貌和界面鈍化對器件性能的影響，深入討論了硅/聚合物的界面效應(yīng)。通過對硅/聚合物界面的調(diào)控，制備了高效穩(wěn)定的硅納米線陣列-有機雜化光伏器件。其中，硅納米線陣列的制備采用金屬輔助催化濕法化學(xué)刻蝕的方法；硅納米線陣列的表面形貌可以通過一種簡單的化學(xué)反應(yīng)刻蝕的方法進行有效的調(diào)控；硅納米線陣列表面的能級結(jié)構(gòu)、缺陷態(tài)密度、載流子復(fù)合速率和化學(xué)穩(wěn)定性可以通過利用不同的鈍化層對其表面進行鈍化來進行有效的調(diào)控。利用這種表面形貌、電學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性可控的硅納米線陣列分別與共軛導(dǎo)電聚合物聚3-己基噻吩（P3HT）和聚苯乙烯磺酸摻雜的聚3,4二氧乙烯噻吩（PEDOT:PSS）制備了高效穩(wěn)定的有機/無機雜化光伏器件，光電轉(zhuǎn)換效率超過10%。通過掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、紫外-可見分光光度計、X射線光電子能譜、瞬態(tài)光電壓（光電流）衰減等測試手段對器件的工作原理以及硅/聚合物的界面效應(yīng)進行了系統(tǒng)的分析和表征。結(jié)果表明，硅納米線陣列的表面形貌和表面鈍化是影響硅-聚合物雜化光伏器件性能的重要因素。利用合適表面形貌的硅納米線陣列和對其表面進行有效的鈍化修飾是制備高效率雜化光伏器件的先決條件。這是由于硅納米線陣列的表面形貌和表面鈍化主導(dǎo)了硅-聚合物雜化光伏器件中界面的載流子復(fù)合速率和載流子壽命。主要工作包括： 1.采用金屬輔助催化濕法化學(xué)反應(yīng)刻蝕的方法制備了結(jié)構(gòu)規(guī)整的硅納米線陣列。通過對其進行氧化刻蝕反應(yīng)使其表面形貌得到了有效的調(diào)控；通過對其表面進行不同的鈍化處理使其表面的能級結(jié)構(gòu)、缺陷態(tài)密度、載流子復(fù)合速率和化學(xué)穩(wěn)定性得到了有效的調(diào)控。 2.利用表面形貌、電學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性可控的單晶硅基底與共軛導(dǎo)電聚合物P3HT制備了有機-無機雜化光伏器件。通過電流-電壓測試、外量子效率光譜響應(yīng)等測試手段考察了器件的光伏性能；通過掃描電子顯微鏡、紫外-可見分光光度計、紫外光電子能譜等測試手段考察了器件中的界面效應(yīng)。結(jié)果表明，通過對基底的表面形貌控制和表面進行鈍化可以有效地提高器件的光伏性能。 3.利用不同表面形貌和不同表面鈍化層的硅納米線陣列和共軛導(dǎo)電聚合物P3HT制備了具有三維徑向結(jié)構(gòu)的雜化異質(zhì)結(jié)光伏器件（HOT電池）。通過電流-電壓測試、外量子效率光譜響應(yīng)等測試手段考察了器件的光伏性能；通過對器件的暗電流擬合分析考察了器件的界面形貌和界面鈍化對器件性能的影響。結(jié)果表明，硅納米線陣列需要具有合適的密度使得聚合物能夠更好地均勻覆蓋其表面從而制備出高效率的光伏器件。 4.利用不同表面形貌的硅納米線陣列和導(dǎo)電共軛聚合物PEDOT:PSS制備了雜化肖特基異質(zhì)結(jié)光伏電池。通過電流-電壓測試和外量子效率光譜響應(yīng)等測試手段考察了器件的光伏性能；通過對器件的暗電流擬合分析和瞬態(tài)光電壓衰減測試分析了界面形貌與器件性能的關(guān)系以及器件中載流子的分離及傳輸?shù)睦碚撘罁?jù)。結(jié)果表明，在這種基于硅納米線陣列和PEDOT:PSS的雜化光伏器件中，硅納米線陣列基底需要具有合適的硅線長度和密度使器件具有較高的陷光性能和較低的表面載流子復(fù)合速率，從而使得雜化光伏器件具有較好的光伏性能。 5.采用不同的有機單分子層對硅納米線陣列表面進行鈍化修飾，利用略角反射-傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜和X射線光電子能譜考察了其鈍化效果。利用不同有機單分子層鈍化修飾得到的具有不同鈍化程度的硅納米線陣列與共軛導(dǎo)電聚合物PEDOT:PSS制備了雜化肖特基光伏器件。通過電流-電壓測試、外量子效率光譜響應(yīng)等測試手段考察了器件的光伏性能；通過對器件的暗電流擬合分析和瞬態(tài)光電壓（光電流）衰減測試分析了界面鈍化與器件性能的關(guān)系以及器件中電荷的分離及傳輸?shù)睦碚撘罁?jù)。結(jié)果表明，表面鈍化程度完全的硅納米線陣列基底具有較小的缺陷態(tài)密度和載流子復(fù)合速率，基于這種混合有機單分子層鈍化修飾的硅納米線陣列和PEDOT:PSS雜化光伏器件具有較高的效率和較好的穩(wěn)定性。 【關(guān)鍵詞】：硅納米線陣列 表面鈍化 導(dǎo)電聚合物 肖特基異質(zhì)結(jié) 雜化 光伏電池 缺陷態(tài)密度 載流子復(fù)合
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TB383.1;TM914.4
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 引言12-41
• 1.1 概述12-13
• 1.2 太陽能電池的工作原理13
• 1.3 太陽能電池的分類13-24
• 1.3.1 硅太陽能電池14-16
• 1.3.2 化合物半導(dǎo)體太陽能電池16-17
• 1.3.3 有機太陽能電池17-19
• 1.3.4 薄膜太陽能電池19-21
• 1.3.5 染料敏化太陽能電池21-23
• 1.3.6 有機/無機雜化太陽能電池23-24
• 1.4 硅納米線陣列的制備及其在光伏器件中的應(yīng)用24-31
• 1.4.1 化學(xué)氣相沉積（CVD）25-26
• 1.4.2 活性離子刻蝕（RIE）26
• 1.4.3 模版法26-28
• 1.4.4 一步法金屬輔助催化濕法化學(xué)刻蝕28-30
• 1.4.5 硅表面的有機單分子層鈍化修飾30-31
• 1.5 本論文的研究思路31
• 參考文獻31-41
• 第二章 硅納米線陣列的制備與表征41-51
• 2.1 引言41-42
• 2.2 實驗部分42-43
• 2.2.1 原料與試劑42
• 2.2.2 實驗儀器42
• 2.2.3 實驗步驟42-43
• 2.3 結(jié)果與討論43-47
• 2.3.1 溫度對硅納米線陣列形貌的影響43-44
• 2.3.2 刻蝕時間對硅納米線陣列形貌的影響44-45
• 2.3.3 硅納米線陣列中硅線密度的調(diào)控45-46
• 2.3.4 硅納米線陣列表面有機單分子層鈍化46-47
• 2.4 總結(jié)47-48
• 參考文獻48-51
• 第三章 硅-P3HT 雜化光伏器件中界面鈍化及界面形貌對器件性能的影響51-73
• 3.1 引言51-53
• 3.2 實驗部分53-55
• 3.2.1 原料與試劑53-54
• 3.2.2 實驗儀器54
• 3.2.3 實驗步驟54-55
• 3.3 結(jié)果與討論55-68
• 3.3.1 雜化光伏器件的結(jié)構(gòu)55-56
• 3.3.2 基于氫化、氧化和甲基化表面的平面硅/P3HT 雜化器件56-62
• 3.3.3 基于氧化和甲基化表面的硅納米結(jié)構(gòu)/P3HT 雜化器件62-63
• 3.3.4 基于鉑納米顆粒表面修飾的硅納米結(jié)構(gòu)/P3HT 雜化器件63-65
• 3.3.5 不同表面鈍化層對硅基底表面極化和能帶彎曲的影響65-67
• 3.3.6 雜化光伏器件穩(wěn)定性的測試67-68
• 3.4 總結(jié)68-69
• 參考文獻69-73
• 第四章 基于硅和有機薄膜的雜化異質(zhì)結(jié)光伏器件（HOT 器件）中的界面效應(yīng)73-92
• 4.1 引言73-74
• 4.2 實驗部分74-76
• 4.2.1 原料與試劑74-75
• 4.2.2 實驗儀器75
• 4.2.3 實驗步驟75-76
• 4.3 結(jié)果與討論76-88
• 4.3.1 雜化光伏器件的結(jié)構(gòu)76-77
• 4.3.2 P3HT 厚度對平底硅/P3HT 雜化光伏器件性能的影響77-79
• 4.3.3 硅納米線陣列中硅線密度對雜化光伏器件性能的影響79-82
• 4.3.4 P3HT 厚度對硅納米線陣列/P3HT 雜化光伏器件性能的影響82-84
• 4.3.5 入射光角度和器件面積對雜化光伏器件性能的影響84-85
• 4.3.6 表面鈍化對硅納米線陣列/P3HT 雜化光伏器件性能的影響85-88
• 4.4 總結(jié)88-89
• 參考文獻89-92
• 第五章 硅納米線陣列-PEDOT:PSS 雜化肖特基異質(zhì)結(jié)器件中的界面效應(yīng)92-112
• 5.1 引言92-93
• 5.2 實驗部分93-94
• 5.2.1 原料與試劑93
• 5.2.2 實驗儀器93
• 5.2.3 實驗步驟93-94
• 5.3 結(jié)果與討論94-108
• 5.3.1 PEDOT:PSS 的紫外-可見吸收光譜94-95
• 5.3.2 雜化光伏器件的結(jié)構(gòu)示意圖和能帶結(jié)構(gòu)95
• 5.3.3 不同硅線密度的硅納米線陣列/PEDOT:PSS 雜化光伏器件95-99
• 5.3.4 不同硅線長度的硅納米線陣列/PEDOT:PSS 雜化光伏器件99-100
• 5.3.5 器件的暗電流的擬合和分析100-102
• 5.3.6 瞬態(tài)光電壓衰減測試102-104
• 5.3.7 不同頂柵電極對雜化光伏器件性能的影響104-105
• 5.3.8 不同表面鈍化層對雜化器件性能的影響105-108
• 5.4 總結(jié)108
• 參考文獻108-112
• 第六章 界面鈍化對硅納米線陣列-PEDOT:PSS 雜化肖特基異質(zhì)結(jié)光伏器件性能的影響112-134
• 6.1 引言112-114
• 6.2 實驗部分114-116
• 6.2.1 原料與試劑114
• 6.2.2 實驗儀器114-115
• 6.2.3 實驗步驟115-116
• 6.3 結(jié)果與討論116-129
• 6.3.1 有機單分子層表面鈍化硅納米線陣列的表征116-119
• 6.3.2 雜化光伏器件的結(jié)構(gòu)119
• 6.3.3 硅納米線陣列的形貌表征119-121
• 6.3.4 不同表面鈍化的硅納米線陣列/PEDOT:PSS 雜化光伏器件121-122
• 6.3.5 雜化器件的暗電流的擬合和分析122-123
• 6.3.6 瞬態(tài)光電流衰減和瞬態(tài)光電壓衰減測試123-126
• 6.3.7 雜化光伏器件的穩(wěn)定性測試126-129
• 6.4 總結(jié)129-130
• 參考文獻130-134
• 第七章 總結(jié)與展望134-138
• 7.1 全文總結(jié)134-136
• 7.2 本論文的主要創(chuàng)新點136
• 7.3 存在問題與展望136-138
• 攻讀學(xué)位期間公開發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與其他學(xué)術(shù)成果138-140
• 期刊論文138-139
• 發(fā)明專利139
• 學(xué)術(shù)會議論文139-140
• 致謝140-141

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