ZnO电子选择层的制备方法对反向有机太阳能电池性能的影响

【摘要】：未来电池的发展趋势必将朝向洁净、低耗、可再生的方向发展，太阳能电池无疑成为替代现今能源的最佳选择。太阳能电池是利用太阳能资源的有效手段之一，在众多类型的太阳能电池中，有机太阳能电池由于轻质、可卷曲、低成本等优点越来越受到研究者们的关注。在其研究进程中，体异质结结构的应用使得器件的效率有了非常大的提高。电子选择层和空穴传输层的加入是提高体异质结太阳能电池性能的重要手段，特别是通过对电子选择层的优化可以使器件效率得到非常明显的提高。多种金属氧化物、金属盐类和聚合物等都可以作为电子选择层，其中ZnO和TiO2是被使用最广泛且最成功的两种材料。 本论文主要围绕ZnO作为电子选择层在有机反向体异质结太阳能电池中的应用，探究ZnO层对器件光伏性能的影响。ZnO作为目前使用最广泛的电子选择层材料，尽管制备方法和修饰手段众多，但却很少有系统地研究ZnO层的制备方法与器件光伏性能之间的关系,而且也未见有研究者将Mg掺杂的ZnO薄膜用作反向器件的电子选择层。本论文采用多种制备ZnO电子选择层的方式，从两方面入手，研究ZnO电子选择层对器件光伏性能的影响： 1.用三种方法制备ZnO薄膜，研究ZnO制备方法对ZnO薄膜的形貌、功函，器件电荷的传输能力等的影响； 2.前驱体溶液法制备ZnO薄膜，通过Mg的掺杂来调节ZnO薄膜的功函，研究Mg掺杂对电池内建电场、电子传输势垒，薄膜形貌等的影响。 通过对ZnO层的优化，制备出了具有优异光伏性能的有机太阳能电池。在以低浓度ZnO前驱体修饰过的nc-ZnO薄膜作为电子传输层的器件中，最佳器件的光伏参数为Voc=0.57V, Jsc=10.62mA/cm2, FF=0.59, PCE=3.6%；而由Mg掺杂的ZnO薄膜作为电子选择层的器件获得了更优的光伏性能，在P3HT:PC61BM体系和PTB7：PC71BM体系中的最佳光伏参数分别为：Voc=0.63V, Jsc=12.19mA/cm2,FF=0.65, PCE=4.98%和Voc=0.73V, Jsc=15.63mA/cm2, FF=0.72, PCE=8.24%。 通过大量的实验论证，证明：ZnO电子选择层的制备方法对器件的光伏性能至关重要，不同的制作方法会形成不同形貌和功函的ZnO薄膜。适当粗糙的表面为激子分离和电荷传输提供了足够的界面，而ZnO薄膜较低的功函也将有利于器件内电荷的传输，在两者共同的作用下，器件的光伏性能会有很大的不同。同时，通过Mg的掺杂也成功的调节了ZnO薄膜的功函，增大了器件的内建电势，降低了电子传输的势垒，并很大程度上优化了薄膜的表面形貌。 【关键词】：有机太阳能电池 氧化锌 形貌 功函 电荷传输
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 引言10-11
• 1.2 有机太阳能电池的结构11-15
• 1.2.1 单层器件11-12
• 1.2.2 双层器件12
• 1.2.3 复合层器件12-15
• 1.3 电子选择层在反向器件中的应用15-16
• 1.4 有机太阳电池存在的问题16
• 参考文献16-20
• 第二章 有机反向太阳能电池制备及表征技术20-29
• 2.1 引言20-21
• 2.2 有机反向体异质结太阳能电池的制备21-24
• 2.2.1 ITO 玻璃处理21-23
• 2.2.2 薄膜制备技术23-24
• 2.3 有机反向体异质结太阳能电池的表征技术24-26
• 2.3.1 有机太阳能电池的性能参数24-26
• 2.3.2 器件光伏参数的测试26
• 2.4 本章小结26-27
• 参考文献27-29
• 第三章 氧化锌薄膜的制作方法对反向有机太阳能电池性能的影响29-51
• 3.1 引言29-30
• 3.2 器件的制备与测量30-34
• 3.2.1 实验材料及设备30-31
• 3.2.2 器件制备31-34
• 3.3 结果与分析34-46
• 3.3.1 空穴传输层的制备34-36
• 3.3.2 ZnO 电子选择层的制作方法36-37
• 3.3.3 氧化锌纳米晶的浓度37-39
• 3.3.4 氧化锌薄膜的粗糙度39-42
• 3.3.5 电荷的萃取42-45
• 3.3.6 UPS 测试45-46
• 3.4 本章小结46-47
• 参考文献47-51
• 第四章 Mg 掺杂的 ZnO 薄膜在有机太阳能电池中的应用51-76
• 4.1 引言51-52
• 4.2 器件的制备与测量52-55
• 4.2.1 实验材料及设备52-53
• 4.2.2 器件制备53-54
• 4.2.3 测试和表征54-55
• 4.3 结果与分析55-67
• 4.3.1 P3HT: PC_61BM 作活性层材料55-60
• 4.3.2 PTB7: PC_71BM 作活性层材料60-62
• 4.3.3 ZnO 层薄膜的表面形貌62
• 4.3.4 功函的测试62-66
• 4.3.5 XPS 测试66-67
• 4.4 醋酸锌器件67-71
• 4.4.1 器件的制备67
• 4.4.2 结果与分析67-71
• 4.5 本章小结71
• 参考文献71-76
• 第五章 全文总结及展望76-79
• 5.1 全文总结76-77
• 5.2 展望77-79
• 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文79-80
• 致谢80-81

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