无机半导体纳米材料在聚合物太阳能电池中的应用

【摘要】：近年来,聚合物太阳能电池因其制备成本较低、质量轻和可溶液制备等优点,克服了传统无机太阳能电池的成本高、机械性能差等缺点,而引起了人们的广泛关注。目前报道的基于富勒烯衍生物和共轭聚合物的有机太阳能电池的光电转换效率虽然已经超过10%,但无论是富勒烯衍生物还是聚合物,它们的吸光系数都较低,故对太阳光谱的捕获有限的弊端也逐渐显现出来。而且在体相异质结太阳能电池中,活性层的能级偏移和与电极接触的界面问题也是限制其发展的重要因素。吸光层与电极之间几毫伏的能垒就会导致电荷的累积与复合,因此建立有效的电荷抽取和良好的欧姆接触不仅可以增强器件的稳定性,也是提高光伏器件的重要策略。利用无机半导体纳米晶解决界面问题,首先要除去纳米粒子表面的多余绝缘配体,并保证其良好的分散。因为纳米粒子如果因高温配体交换而产生团聚现象,发生宏观相分离的话,就会使活性层和电极的界面之间相容性变差,接触不良,从而不利于激子的分离与自由电荷的传输。其次还要求抽取电子的界面材料可以形成连续不断的互穿网络结构,给电荷的抽取和载流子的传输提供良好的通道。本文采用平面性良好的氧化石墨烯(GO)提高配体交换的纳米晶的分散性和使用3D结构的半导体纳米晶修饰电极界面的方法解决了这两个问题。具体方法如下:第一,本文使用热注入的方法制备了四方晶型的Cu2ZnSnSe4纳米粒子作为正向器件的空穴传输层,取代了聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS),并用配体吡啶交换的方法去除纳米晶表面的绝缘有机物,来提高半导体纳米晶的电荷传输能力。但是交换后的纳米粒子容易聚集的现象会导致电池漏电。为了解决纳米粒子聚集的问题,加入少量氧化石墨烯(GO)作为负载和分散团聚半导体的纳米模板,不仅使纳米晶与氧化石墨烯上的官能团通过静电作用相互吸引,提高了纳米粒子的分散性,制备的纳米复合物还有助于调控阳极缓冲层的功函,从而使器件效率升高一倍。第二,本文通过制备CdSe四足体(TPs)纳米晶修饰反向器件中缓冲层Zn O的表面,形成3D网络结构的电子传输与抽取通道,有效的增加了短路电流,降低了ZnO的表面缺陷。导致整个电池的串联电阻降低,从而使填充因子从52.9%提高到61.3%;另外通过优化CdSe的浓度,使短路电流从7.39 mA·cm-2提高到8.03 mA·cm-2。 【关键词】：聚合物太阳能电池 Cu2ZnSnSe4纳米粒子 氧化石墨烯 CdSe四足体
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1;TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-33
• 1.1 引言9-10
• 1.2 太阳能电池10-13
• 1.2.1 太阳光谱10
• 1.2.2 光伏效应10-12
• 1.2.3 太阳能电池光伏性能参数12-13
• 1.3 太阳能电池的应用材料13-16
• 1.3.1 共轭聚合物13
• 1.3.2 有机小分子13-14
• 1.3.3 半导体纳米材料14-16
• 1.4 纳米材料在太阳能电池中的应用16-22
• 1.4.1 杂化体相异质结太阳能电池16-20
• 1.4.2 耗尽型异质结量子点电池20-22
• 1.5 纳米材料在太阳能电池中遇到的的挑战22-24
• 1.6 提高纳米材料在太阳能电池中性能的应用策略24-31
• 1.6.1 纳米粒子表面的配体处理24-26
• 1.6.2 调控聚合物能级26-28
• 1.6.3 原位生长半导体纳米晶28-29
• 1.6.4 聚合物充当纳米晶配体29
• 1.6.5 石墨烯修饰纳米晶29-30
• 1.6.6 纳米晶修饰界面30-31
• 1.7 本课题提出的意义31-33
• 第2章 均相Cu_2ZnSnSe_4纳米晶/氧化石墨烯纳米复合物在聚合物太阳能电池中的应用33-51
• 2.1 引言33-34
• 2.2 实验部分34-37
• 2.2.1 实验原料及试剂34-35
• 2.2.2 实验仪器及表征手段35
• 2.2.3 实验内容与步骤35-36
• 2.2.4 太阳能电池器件的制备与表征36-37
• 2.3 结果与讨论37-49
• 2.3.1 CZTSe纳米粒子配体交换的研究37-42
• 2.3.2 加入GO的纳米复合物的研究表征42-47
• 2.3.3 纳米复合物在器件中的应用47-49
• 2.4 本章小结49-51
• 第3章 CdSe四足体纳米晶修饰ZnO缓冲层在反向聚合物太阳能电池中的应用51-63
• 3.1 引言51-52
• 3.2 实验部分52-54
• 3.2.1 实验原料及试剂52
• 3.2.2 实验仪器及表征手段52-53
• 3.2.3 实验内容与步骤53-54
• 3.3 实验结果与讨论54-61
• 3.3.1 CdSe四足体纳米晶形貌的表征54-55
• 3.3.2 CdSe四足体纳米晶光学性能的表征55-57
• 3.3.3 ZnO/CdSe纳米薄膜的元素分析57-58
• 3.3.4 基于CdSe四足体的器件表征58-61
• 3.4 本章小结61-63
• 第4章 结论与展望63-65
• 4.1 结论63-64
• 4.2 展望64-65
• 致谢65-66
• 参考文献66-74
• 攻读学位期间的研究成果74

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