GaN纳米晶聚合物太阳能电池的研究

【摘要】：聚合物太阳能电池由于结合了无机和有机半导体纳米材料各自的性能和特点，具有制备工艺简单、成本低和重量轻等优点，从而使其受到了越来越多的关注。 本文首先介绍了太阳能电池的研究意义、太阳能电池的历史以及聚合物太阳能电池的优势，接着讨论了太阳能电池的基本理论知识和太阳能电池的重要性能参数。然后介绍了GaN纳米晶材料的制备工艺，通过各种实验对GaN纳米材料的性能进行了深入的分析，最后对GaN纳米晶聚合物太阳能电池光伏性能进行了研究以及不同的GaN纳米晶浓度对器件的性能的影响。本文的主要内容如下： 1.首先介绍了纳米材料相比其他材料的一些优良性能，接着列出几种常见的纳米材料的一些优良性能，同时对比其他的材料GaN纳米材料的优势。然后给出纳米晶体的几种制备方法，引出了GaN纳米晶材料的制备方法，通过溶胶-凝胶法制备了GaN纳米晶体，并通过改变氨化温度和氨化时间来控制样品的形貌、晶粒粒径、样品组成以及样品的纯度等性能。通过测量样品的X射线衍射、X射线光电子能谱以及扫描电子显微镜实验，可以得出当氨化温度在1050OC，氨化时间在80min时的GaN纳米晶体的质量是最佳的。最后得出，在这个工艺条件下制备出GaN纳米晶的平均颗粒尺寸在40nm左右、纯度很高、平均粒径在17.6nm。 2.讨论了聚合物太阳能电池的工作原理，然后引出了GaN纳米晶材料的器件制备流程。最后制备了器件结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT+GaN/Al的聚合物太阳能电池，该器件的短路电流密度为1.73mA/cm2，开路电压为0.7V，填充因子为39.1%，功率转换效率为0.47%。相比结构为ITO/PEDOT:PSS/P3HT/Al的聚合物太阳能电池的器件，发现加入GaN纳米晶体之后，器件的开路电压没有多大的变化，而短路电流密度和功率转换效率有明显的增加，从而证明GaN纳米晶的引入有利于界面处的激子解离，进而提高器件的转换效率。 3.比较了不同的GaN纳米晶的浓度对聚合物太阳能电池的器件性能影响。我们发现当GaN纳米晶浓度为15mg/ml时，得到的功率转化效率最大。当GaN纳米晶浓度小于15mg/ml时，功率转化效率随着溶液的浓度增大而增大，这是由于GaN纳米晶混合浓度可以形成良好的给体-受体的互穿网络，电荷的传输能力加强。但当GaN纳米晶浓度大于15mg/ml时，功率转化效率随着溶液的浓度增大而减小。这是由于混合浓度的浓度过大，不能形成较好的给体-受体传输网络，不利于激子的分离，导致短路电流密度减小，进而影响最后的器件性能。 【关键词】：太阳能电池 GaN纳米晶 聚合物 转换效率
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-18
• 1.1 研究背景8-11
• 1.1.1 化石燃料的特点8-9
• 1.1.2 环境保护的重要性9-10
• 1.1.3 太阳能10-11
• 1.2 研究意义11-12
• 1.3 太阳能电池的历史12-15
• 1.4 太阳能电池的未来发展前景15-16
• 1.4.1 纳米结构太阳电池15
• 1.4.2 多结叠层太阳能电池15-16
• 1.4.3 光电化学太阳能电池16
• 1.5 本论文的工作16-18
• 第二章 太阳能电池理论知识18-30
• 2.1 半导体的光吸收18-19
• 2.2 半导体的光生伏特效应19
• 2.2.1 PN 结的光生伏特效应19
• 2.2.2 肖特基势垒的光生伏特效应19
• 2.3 太阳能电池的 I-V 特性19-23
• 2.3.1 无光照时的 I-V 特性20-21
• 2.3.2 光照下的 I-V 特性21-23
• 2.4 太阳能电池的特性参数23-28
• 2.4.1 短路电流密度23-24
• 2.4.2 开路电压24-25
• 2.4.3 填充因子25-26
• 2.4.4 功率转换效率26-27
• 2.4.5 光子收集效率27-28
• 2.5 影响太阳能电池效率的因素28-29
• 2.5.1 造成转化效率损失的原因28
• 2.5.2 提高太阳能电池的转化效率的方法28-29
• 2.6 本章小结29-30
• 第三章 GaN 纳米晶材料制备和表征30-44
• 3.1 纳米材料的优良性质30-32
• 3.1.1 纳米材料的性质30-31
• 3.1.2 纳米结构电池的光生载流子的输运31-32
• 3.2 几种常用的纳米结构的光伏材料表征32-33
• 3.3 纳米晶粒材料的各种制备方法比较33-34
• 3.4 GaN 纳米晶材料的制备34-35
• 3.5 GaN 纳米晶材料的表征35-42
• 3.5.1 X 射线衍射谱(XRD)测试36-38
• 3.5.2 X 射线光电子能谱(XPS)测试38-41
• 3.5.3 扫描电子显微镜(SEM)测试41-42
• 3.6 本章总结42-44
• 第四章 聚合物太阳能电池的制备和表征44-56
• 4.1 聚合物太阳能电池的工作原理44-47
• 4.1.1 单层聚合物太阳能电池44-45
• 4.1.2 多层级联聚合物太阳能电池45-47
• 4.2 聚合物太阳能电池的制备流程47-49
• 4.2.1 ITO 玻璃基片的清洗处理48
• 4.2.2 空穴传输层的旋涂48
• 4.2.3 溶液配制与旋涂48
• 4.2.4 蒸镀电极48-49
• 4.3 聚合物太阳能电池的材料49
• 4.4 聚合物太阳能电池的结构组成49-51
• 4.5 GaN 纳米晶太阳能电池的性能比较51-53
• 4.6 不同的 GaN 浓度对器件性能的影响53-54
• 4.7 本章总结54-56
• 第五章 结论与展望56-58
• 致谢58-60
• 参考文献60-64
• 攻读硕士期间的研究成果64-65

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