水相加工的聚合物纳米晶杂化太阳能电池的性能优化及机理研究

【摘要】：水作为溶剂加工制备太阳能电池具有环境友好、生产安全性高等优点,一直是研究人员奋斗的目标。目前,水相加工的太阳能电池效率普遍偏低,主要原因是通常使用的受体为光吸收贡献很小的富勒烯衍生物和金属氧化物。无机半导体纳米晶由于其可调的光电性质和高消光系数被用于与聚合物复合制备无机-有机杂化太阳能电池。在这种电池中,纳米晶作为受体可以很好的弥补富勒烯衍生物光吸收贡献小的缺点。在此背景下,本论文针对水相加工的聚合物纳米晶杂化太阳能电池,从器件结构、工作原理及材料设计等方面开展了一系列创新性的研究。从关键创新点来讲,本论文在水相加工的聚合物纳米晶杂化太阳能电池的贡献如下:率先研究了器件结构对器件性能的影响,并以此实现了光电转换效率的提升。首次制备了水相加工的纳米晶电池并详细研究了其特点。阐明或解决了聚合物纳米晶杂化太阳能电池中的关键问题,包括形貌控制、聚合物纳米晶相互作用、异质节本质三个方面。具体来讲,本论文的工作归纳为如下三个方面。1、在第二章中我们合成了水溶性聚芳基乙炔前驱体和巯基乙胺稳定的Cd Te纳米晶,并以此为活性层材料制备了水相加工的杂化太阳能电池。我们详细研究了器件结构及界面修饰材料对器件性能的影响。通过水相法及热退火处理,我们解决了聚合物纳米晶微观形貌难于控制的问题,实现了载流子的有效分离及传输。通过设计n-i结构的活性层实现了活性层光吸收与载流子传输之间的平衡,得到了4.76%的效率,该效率为当时杂化太阳能电池效率的记录。2、在第三章中我们制备了水相加工的Cd Te纳米晶太阳能电池。通过退火处理Cd Te纳米晶薄膜,由于镉离子与表面巯基配体的反应,我们发现原位生成了Cd Te-Cd S体相异质节。这是一种新的制备纳米尺度的全无机体相异质节的方法。随后,我们通过改变退火温度实现了对体相异质节的组成、电荷转移、重组及传输的调控。3、在第四章中我们在上一章工作的基础上提出从聚合物修饰纳米晶这一新的角度去认识聚合物纳米晶杂化太阳能电池。这一思路能有效的避免了聚合物向纳米晶激子解离效率低的问题。我们通过探讨器件开路电压与聚合物HOMO能级和纳米晶费米能级的关系发现水相加工杂化太阳能电池遵循p-n节而不是传统认为的type-II异质节。此外,我们将纳米晶电池与杂化太阳能电池对比探讨了聚合物的作用。我们通过对器件性能与退火温度的关系的探讨,发现活性层的加工方法是限制器件性能的一个主要因素。因此,我们开发了后扩散法制备体相异质节的方法,实现器件性能的大幅度提升。综上所述,我们通过优化器件结构和材料设计得到了绿色高效的聚合物纳米晶杂化太阳能电池,并深入探讨了器件的工作原理,提出了聚合物修饰的纳米晶电池这一新观点。本论文对聚合物纳米晶杂化太阳能电池的发展及绿色环保的太阳能电池制备具有借鉴意义。 【关键词】：聚合物电池 杂化太阳能电池 水相加工 纳米晶 无机有机杂化 载流子动力学
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O631;TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第1章14-46
• 1.1 引言14-15
• 1.2 水溶液加工的聚合物太阳能电池15-23
• 1.2.1 侧链为氨基的导电聚合物15-16
• 1.2.2 侧链为负电或中性的导电聚合物16-19
• 1.2.3 聚芳基乙炔类导电聚合物19-20
• 1.2.4 微乳液纳米粒子20-23
• 1.3 聚合物纳米晶杂化太阳能电池23-31
• 1.3.1 聚合物纳米晶杂化太阳能电池的基本原理23-25
• 1.3.2 聚合物纳米晶杂化太阳能电池的表征25-28
• 1.3.3 限制聚合物纳米晶杂化太阳能电池性能的关键因素28-30
• 1.3.4 聚合物纳米晶杂化太阳能电池的器件结构30-31
• 1.4 纳米晶太阳能电池31-36
• 1.4.1 纳米晶太阳能电池的基本原理32
• 1.4.2 纳米晶太阳能电池的影响因素及表征32-34
• 1.4.3 纳米晶太阳能电池的器件结构34-36
• 1.5 本论文的设计思想与研究内容36-37
• 1.6 参考文献37-46
• 第2章 水溶液加工的杂化太阳能电池的器件结构与性能46-71
• 2.1 引言46-47
• 2.2 水溶液加工的正式杂化太阳能电池及活性层热稳定性47-52
• 2.2.1 实验部分47-48
• 2.2.1.1 实验原料47
• 2.2.1.2 材料合成47
• 2.2.1.3 器件制备47-48
• 2.2.1.4 表征仪器48
• 2.2.2 结果与讨论48-52
• 2.2.2.1 材料表征48-49
• 2.2.2.2 器件制备及表征49-50
• 2.2.2.3 杂化薄膜的热稳定性50-52
• 2.3 水溶液加工的反式杂化太阳能电池52-59
• 2.3.1 实验部分52-54
• 2.3.1.1 实验原料52
• 2.3.1.2 材料合成52-53
• 2.2.1.3 器件制备53
• 2.3.1.4 表征仪器53-54
• 2.3.2 结果与讨论54-59
• 2.3.2.1 器件制备54
• 2.3.2.2 界面层的作用54-57
• 2.3.2.3 正反结构器件性能对比57-58
• 2.3.2.4 微观形貌与器件性能的关系58-59
• 2.4 水溶液加工的n-i结构杂化太阳能电池59-66
• 2.4.1 实验部分59-61
• 2.4.1.1 实验原料59-60
• 2.4.1.2 材料合成60
• 2.4.1.3 器件制备60
• 2.4.1.4 表征仪器60-61
• 2.4.2 结果与讨论61-66
• 2.4.2.1 器件结构设计与可行性61-63
• 2.4.2.2 器件性能63-66
• 2.5 本章小结66-67
• 2.6 参考文献67-71
• 第3章 水溶液加工的纳米晶太阳能电池71-92
• 3.1 引言71
• 3.2 水溶液加工的CdTe纳米晶太阳能电池71-79
• 3.2.1 实验部分71-72
• 3.2.1.1 实验原料71-72
• 3.2.1.2 材料合成72
• 3.2.1.3 器件制备72
• 3.2.1.4 表征仪器72
• 3.2.2 结果与讨论72-79
• 3.2.2.1 CdS的生成73-74
• 3.2.2.2 CdTe-CdS异质节的生成74-79
• 3.3 退火温度对纳米晶电池性能及载流子动力学的影响79-90
• 3.3.1 实验部分79-80
• 3.3.1.1 实验原料79
• 3.3.1.2 材料合成79
• 3.3.1.3 器件制备79
• 3.3.1.4 表征仪器79-80
• 3.3.2 结果与讨论80-90
• 3.3.2.1 纳米晶的生长80-81
• 3.3.2.2 退火温度对载流子动力学的影响81-84
• 3.3.2.3 退火温度对器件性能的影响84-87
• 3.3.2.4 器件工作原理87-90
• 3.4 本章小结90
• 3.5 参考文献90-92
• 第4章 聚合物修饰的纳米晶电池92-120
• 4.1 引言92-93
• 4.2 MPPV-CdTe杂化太阳能电池及聚合物的作用93-102
• 4.2.1 实验部分93-94
• 4.2.1.1 实验原料93
• 4.2.1.2 材料合成93
• 4.2.1.3 器件制备93-94
• 4.2.1.4 表征仪器94
• 4.2.2 结果与讨论94-102
• 4.2.2.1 MPPV的合成及表征94-96
• 4.2.2.2 器件性能96-97
• 4.2.2.3 MPPV的作用97-102
• 4.3 异质节本质及器件优化102-113
• 4.3.1 实验部分102-104
• 4.3.1.1 实验原料102
• 4.3.1.2 材料合成102-103
• 4.3.1.3 器件制备103
• 4.3.1.4 表征仪器103-104
• 4.3.2 结果与讨论104-113
• 4.3.2.1 器件结构及材料表征104-106
• 4.3.2.2 器件结构及材料表征106-108
• 4.3.2.3 聚合物的作用108-110
• 4.3.2.4 器件优化110-113
• 4.4 后扩散法制备体相异质节113-117
• 4.4.1 实验部分113-114
• 4.4.1.1 实验原料113-114
• 4.4.1.2 材料合成114
• 4.4.1.3 器件制备114
• 4.4.1.4 表征仪器114
• 4.4.2 结果与讨论114-117
• 4.4.2.1 孔洞形成115-116
• 4.4.2.2 器件性能116-117
• 4.5 本章小结117-118
• 4.6 参考文献118-120
• 第5章 结论120-122
• 作者简介及攻读学位期间取得的学术成果122-126
• 致谢126

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