基于TiO_2纳米结构的杂化薄膜太阳能电池器件构筑及其性能研究

【摘要】：随着世界经济的发展，环境污染加重，不可再生的传统能源不断枯竭，开发新能源已成为解决能源问题的重要手段，太阳能以其丰富、可持续、环保等优势备受关注，研发高效率、低成本、易组装生产的太阳能电池已成为目前解决能源问题的重要途径。有机-无机杂化薄膜全固态太阳能电池成为目前太阳能电池研究领域的热点。TiO2因环保、无毒、储量丰富、相对酸碱稳定等性能被广泛应用于太阳能电池的吸收层和窗口层材料看作是很有发展前景的太阳能电池的吸收层和窗口层材料。本论文详细探讨了在FTO透明导电玻璃上原位合成TiO2的水热合成制备方法及其影响因素，并组装了系列TiO2基有机-无机（TiO2/P3HT、TiO2/MEH-PPV）杂化薄膜太阳能电池器件，研究了制备工艺、基底效应、溶剂效应和表面修饰等方面对TiO2/P3HT、TiO2/MEH-PPV体异质结有机光伏器件性能的影响。研究成果如下：研究工作获得的主要成果归纳如下： （1）纳米结构TiO2薄膜的不同溶剂条件下的原位制备及光电性能研究。选用钛酸四丁酯作为前驱体，浓盐酸、去离子水（或乙二醇、二甲苯等）作溶剂，在FTO基底上原位一步合成了TiO2纳米薄膜。产物薄膜致密均匀，由均匀分布的纳米棒结构组成。进一步探讨了不同实验条件对产物薄膜的影响，初步探讨了TiO2薄膜的生长机理并对TiO2纳米薄膜的光电性能进行了研究，组装了FTO/TiO2/MEH-PPV/Ag的器件结构，测得其光电转换效率为0.160%。这种制备二氧化钛薄膜的方法简单，薄膜厚度很薄与基底结合牢固，不需要其他添加剂（表面活性剂），制备的纳米棒粒径变小，光学带隙变宽，在紫外光区有较好的吸收。 （2）纳米结构TiO2薄膜的两步法制备及光电性能研究。先利用磁控溅射在FTO导电面上溅射一层金属钛，煅烧后再溶剂热反应制备均匀排列的纳米棒TiO2薄膜。此方法制备的薄膜均匀致密、无需煅烧结晶性很好、不出现裂痕、和基底结合紧密、TiOx可作为阻挡层防止蒸镀电极时短路，而且这种制备种子层的方法简单易操作，种子层厚度可控。最后组装成器件结构为FTO/TiO2/P3HT/MoO3/Ag的杂化薄膜太阳能电池，测得最优器件的性能参数：开路电压(Voc)为0.231V，短路电流密度(Jsc)为0.38mA/cm2，填充因子(FF)为40.08%，光电转化效率为0.034％。 （3）TiO2:CuO杂化薄膜的制备和光电性能的初步研究。选用溶剂热法在FTO基底上原位合成TiO2薄膜，然后将TiO2薄膜浸泡在不同浓度的盐溶液中后煅烧制备出TiO2:CuO复合薄膜。此方法简单易行，且实验过程环境友好，利用CuO属于p型半导体，光学带隙为1.0～1.9eV在可见光部分有吸收，通过它对TiO2薄膜表面进行修饰，提高对太阳光的利用率，从而提高器件的光电转换效率。最终组装成器件结构为FTO/TiO2:CuO/MEH-PPV/Ag的杂化薄膜太阳能电池，测得最优器件的性能参数：开路电压(Voc)为0.518V，短路电流密度(Jsc)为0.349mA/cm2，填充因子(FF)为41.77%，光电转化效率为0.076％。 【关键词】：有机-无机杂化 太阳能电池 TiO2薄膜 原位制备 表面修饰
【学位授予单位】：河南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.42;TB383.2
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 引言11
• 1.2 太阳能电池简介11-13
• 1.2.1 太阳能电池的发展11-13
• 1.3 无机-有机杂化薄膜太阳能电池材料13-16
• 1.3.1 杂化薄膜太阳能电池材料的种类13-15
• 1.3.2 基于 TiO_2纳米材料的太阳能电池器件研究现状15-16
• 1.4 本论文的选题思想、研究意义及研究进展16-19
• 第二章 纳米结构 TiO_2薄膜在不同溶剂中的原位制备及其光电性能研究19-55
• 2.1 引言19-20
• 2.2 实验部分20-22
• 2.2.1 主要试剂和仪器20-21
• 2.2.2 纳米结构二氧化钛薄膜的表征21-22
• 2.2.3 太阳能电池器件的组装22
• 2.3 纳米结构二氧化钛薄膜在水溶液中的原位制备和光电性能的研究22-30
• 2.3.1 纳米结构二氧化钛薄膜在水溶液中的原位制备22-23
• 2.3.2 不同 PH 值对产物薄膜的影响23-24
• 2.3.3 反应温度对产物薄膜的影响24-26
• 2.3.4 反应时间对产物薄膜的影响26-28
• 2.3.5 产物薄膜的紫外可见吸收光谱分析28-29
• 2.3.6 二氧化钛薄膜的光电性能研究29-30
• 2.4 纳米结构二氧化钛薄膜在乙二醇溶液中的原位制备及光电性能研究30-43
• 2.4.1 纳米结构二氧化钛薄膜在乙二醇溶液中的制备30-31
• 2.4.2 乙二醇用量对产物薄膜的影响31-32
• 2.4.3 反应温度对产物薄膜的影响32-34
• 2.4.4 反应时间对产物薄膜的影响34-36
• 2.4.5 钛酸四丁酯用量对产物薄膜的影响36-38
• 2.4.6 不同 PH 值对产物薄膜的影响38-39
• 2.4.7 尿素用量对产物薄膜的影响39-40
• 2.4.8 产物薄膜的紫外可见吸收光谱分析40-41
• 2.4.9 二氧化钛薄膜的光电性能研究41-43
• 2.5 纳米结构二氧化钛薄膜在二甲苯溶液中的原位制备及光电性能研究43-52
• 2.5.1 纳米结构二氧化钛薄膜在二甲苯溶液中的制备43
• 2.5.2 不同 PH 值的溶液对产物薄膜的影响43-45
• 2.5.3 反应温度对产物薄膜的影响45-47
• 2.5.4 反应时间对产物薄膜的影响47-49
• 2.5.5 钛酸四丁酯用量对产物薄膜的影响49-51
• 2.5.6 产物薄膜的紫外可见吸收光谱分析51-52
• 2.5.7 二氧化钛薄膜的光电性能研究52
• 2.6 本章小结52-55
• 第三章 纳米结构 TiO_2薄膜的两步法制备及其光电性能研究55-75
• 3.1 引言55-56
• 3.2 实验部分56-59
• 3.2.1 主要试剂和仪器56-57
• 3.2.2 纳米结构二氧化钛薄膜的合成57
• 3.2.3 纳米结构二氧化钛薄膜的表征57-58
• 3.2.4 太阳能电池器件的组装58-59
• 3.3 结果和讨论59-72
• 3.3.1 不同 PH 值对产物薄膜的影响59-60
• 3.3.2 反应温度对产物薄膜的影响60-62
• 3.3.3 反应时间对产物薄膜的影响62-64
• 3.3.4 溅射金属钛厚度对产物薄膜的影响64-66
• 3.3.5 钛酸四丁酯用量对产物薄膜的影响66-67
• 3.3.6 不同基底对产物的影响—H_2O 和 TiO_x界面处对比67-69
• 3.3.7 产物薄膜的紫外可见吸收光谱分析69-71
• 3.3.8 电池器件的光电性能测试71-72
• 3.4 本章小结72-75
• 第四章 TiO_2/CuO 杂化薄膜的初步研究75-83
• 4.1 引言75
• 4.2 实验部分75-78
• 4.2.1 主要试剂和仪器75-77
• 4.2.2 TiO_2/CuO 杂化薄膜的制备77
• 4.2.3 产物薄膜的表征77
• 4.2.4 太阳能电池器件的组装77-78
• 4.3 结果和讨论78-82
• 4.3.1 不同铜盐溶液浸泡修饰对产物的影响78-80
• 4.3.2 浸泡铜盐后产物 TiO_2薄膜的紫外可见吸收光谱80-81
• 4.3.3 TiO_2/CuO 杂化薄膜性能的初步研究81-82
• 4.4 本章小结82-83
• 结论及展望83-85
• 参考文献85-95
• 致谢95-97
• 攻读学位期间发表的学术论文目录97-98

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