铜纳米线的制备及在有机太阳能电池中的应用

【摘要】：有机太阳能电池由于具有低成本、可以实现大规模的卷对卷生产等优点，受到了人们的广泛关注。通常有机光伏器件使用的电极材料是ITO。然而，ITO本身具有成本高、易碎等问题促使了人们对柔性、低成本导电材料的开发兴趣。因此，研究低成本、制备工艺相对简单能够替代ITO薄膜的透明导电薄膜就显得非常必要。金属纳米线具有成本低、易制备、可实现柔性化大规模生产等优点。本论文研究了水溶液法制备长径比可控的铜纳米线（Cu NWs）方法，考察了不同反应条件对产物形貌的影响，并将其应用到有机光伏器件中。主要研究内容如下: 第一：本文利用水热法生长Cu NWs。考察了表面活性剂PVP、结构诱导剂EDA对CuNWs的影响。通过考察不同实验参数（温度、时间、试剂浓度等）对Cu NWs形貌的影响。最终得到长度约为10μm，直径约为200nm的Cu NWs。并对产物进行XRD、SEM和TEM的表征。结果表明温度、反应物浓度以及结构诱导剂EDA是影响产物形貌的关键因素。将在优化条件下制备得到的Cu NWs与PEDOT:PSS混合，作为阳极缓冲层，制备了器件结构为：ITO/PEDOT: PSS:Cu NWs/P3HT:PCBM/LiF/Al的光伏器件。结果表明性能与参比器件相比有所降低。主要原因可能是由于Cu NWs自身容易被氧化，加入到PEDOT:PSS后使表面粗糙度变大，不利于空穴的传输和收集。同时容易俘获载流子，使得器件性能下降。 第二：为了解决Cu NWs易被氧化的问题，在水热法制备Cu NWs的基础上，初步探究了在铜表面包裹一层镍，即制备白铜纳米线(Ni-Cu NWs)来避免氧化问题。分别考察了利用两步生长法和一步生长法制备Ni-Cu NWs。通过产物的SEM照片，总结出制备长径比较大的Ni-Cu NWs方法。实验表明，用一步法可以将镍成功地包裹到铜的表面，并且在形成铜离子之后再加入硝酸镍时，可以得到尺寸大小较为理想的Ni-Cu NWs。在此基础上制备了器件结构分别为：ITO/PEDOT:PSS:Ni-Cu NWs/P3HT:PCBM/LiF/Al的光伏电池，研究掺杂不同浓度Ni-Cu NWs作为缓冲层时器件性能的变化情况。实验结果表明：当掺杂一定浓度的Ni-Cu NWs后器件性能有整体下降的趋势，说明掺杂Cu NWs后在缓冲层中并没有起到积极作用。 【关键词】：Cu NWs 水热法 透明导电 太阳能电池
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB383.1;TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-19
• 1.1 引言9-10
• 1.2 研究背景10-16
• 1.2.1 金属纳米线材料简介11-12
• 1.2.2 基于金属纳米线的透明电极简介12-13
• 1.2.3 有机太阳能电池的电极材料13
• 1.2.4 有机太阳能电池简介13-16
• 1.3 研究目的、意义和现状16-17
• 1.3.1 研究目的及意义16
• 1.3.2 研究现状16-17
• 1.4 本论文研究的目的及主要研究内容17-19
• 第二章 铜纳米线（Cu NWs）的制备研究19-30
• 2.1 引言19
• 2.2 实验部分19-22
• 2.2.1 实验仪器及规格19-20
• 2.2.2 Cu NWs 的制备研究及步骤20-21
• 2.2.3 生长机理21-22
• 2.3 生长条件对 Cu NWs 形貌的影响22-29
• 2.3.1 温度对 Cu NWs 形貌的影响22-24
• 2.3.2 氢氧化钠浓度对 Cu NWs 形貌的影响24-26
• 2.3.3 水合肼（N2H4）对 Cu NWs 形貌的影响26-27
• 2.3.4 冰浴时间对 Cu NWs 形貌的影响27-28
• 2.3.5 乙二胺（EDA）对 Cu NWs 形貌的影响28-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第三章 PEDOT:PSS:Cu NWs 为阳极缓冲层的有机太阳能电池30-38
• 3.1 引言30
• 3.2 实验部分30-34
• 3.2.1 实验试剂及设备30-31
• 3.2.2 Cu NWs 的表征及分析31-34
• 3.3 PEDOT:PSS:Cu NWs 作阳极缓冲层在有机光伏电池中的应用34-36
• 3.3.1 器件的制备34-35
• 3.3.2 器件的 I-V 特性曲线35-36
• 3.4 结果与分析36-37
• 3.4.1 不同质量浓度 Cu NWs 的紫外-可见吸收光谱图36-37
• 3.4.2 掺杂 Cu NWs 后活性层的表面形貌分析37
• 3.5 本章小结37-38
• 第四章 白铜纳米线(Ni-Cu NWs)的制备及在有机太阳能电池的应用38-50
• 4.1 引言38-39
• 4.2 实验部分39-45
• 4.2.1 Ni-Cu NWs 的制备研究39-42
• 4.2.2 Ni-Cu NWs(Cu:Ni = 2:1) 的 EDS 分析42-43
• 4.2.3 Ni-CuNWs 的表征43-45
• 4.4 Ni-Cu NWs 在有机太阳能电池中的应用45-47
• 4.4.1 器件的制备45-46
• 4.4.2 器件的 I-V 特性曲线46-47
• 4.5 结果与分析47-48
• 4.5.1 不同质量浓度 Ni-Cu NWs 的紫外-可见吸收光谱47-48
• 4.5.2 掺杂 Ni-Cu NWs 后活性层的表面形貌分析48
• 4.6 本章小结48-50
• 第五章 全文总结与展望50-52
• 5.1 全文总结50-51
• 5.2 展望51-52
• 参考文献52-60
• 发表论文和科研情况说明60-61
• 致谢61-62

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