基于聚噻吩/ZnO纳米晶杂化太阳能电池微观形貌调控及其性能提高

【摘要】：无机太阳能电池,由于其制备成本高,机械性能差等缺点,限制了其应用空间。有机太阳能电池,制备成本低,质量轻,具有好的机械柔韧性等优点,近年来引起了人们的广泛关注。经过科学家们几十年的努力,目前基于共轭聚合物和富勒烯衍生物的有机太阳能电池的能量转换效率已经突破10%。然而,由于富勒烯衍生物低的消光系数,只能捕获很有限的一部分太阳光。与富勒烯衍生物相比,无机半导体纳米晶具有长期的稳定性,对太阳光谱具有相当大的吸收范围,可以从紫外区到近红外区,具有高的电子迁移率,电子特性和几何形貌都可以调控,因此得到了广泛的关注。有机无机杂化太阳能电池,活性层由共轭聚合物和无机半导体纳米晶组成,受体用无机半导体纳米晶取代富勒烯衍生物,这样可以进一步的减少制备成本。但是,目前有机无机杂化太阳能电池的器件效率比较低,主要是由于活性层的微观形貌难以控制。在传统的有机无机杂化太阳能电池中,活性层是通过共轭聚合物和无机半导体纳米晶共混制备的,无机半导体纳米晶受体容易聚集,发生宏观相分离,难以形成连续的互穿网络结构,共轭聚合物和纳米晶相容性差,界面接触不好,不利于激子的分离和自由电荷的传输。高效的有机无机杂化太阳能电池要求无机半导体纳米晶和共轭聚合物之间要有好的界面接触,才有利于激子的分离。同时还要求活性层能形成连续的互穿网络结构,为载流子的传输和电荷的收集提供高效连续的通道。采用在共轭聚合物中原位生长无机半导体纳米晶和用半导体液晶小分子配体对无机半导体纳米晶表面进行修饰的方法可以解决这些问题。 首先,本论文通过原位水解的方法在具有自组装行为的聚-3-己基噻吩-b-聚甲基丙烯酸乙酸锌(P3HT-b-PZnMAAc)中原位生长一维捧状ZnO纳米晶。由于自组装的P3HT-b-PZnMAAc的模板作用,棒状的ZnO纳米晶能均匀的分散在整个杂化体系中,没有明显的相分离,表明ZnO纳米晶和P3HT具有很好的相容性和大的界面接触。P3HT/ZnO杂化膜的形貌能够通过改变水解时间来调控。更有趣的是棒状的ZnO纳米晶是通过准球状的ZnO纳米粒子自组装而成的。P3HT/ZnO杂化膜在光电器件中的应用也进行了研究。水解1小时得到的P3HT/ZnO杂化膜的荧光淬灭程度达到70%,将其运用到杂化太阳能电池中作为活性层,器件的能量转换效率达到0.19%。 其次,将在聚合物中原位制备无机半导体纳米晶和交联的方法引入到活性层的制备中来。通过原位聚合制备了一种交联的聚合物前躯体,能原位水解制备交联的P3HT/ZnO杂化体系,提高器件的稳定性。我们合理的设计并通过P3HT氮氧自由基大分子引发剂P3HT-TIPNO引发甲基丙烯酸锌(Zn(MA)2)原位聚合制备了交联的P3HT-b-PZn(MA)2嵌段共聚物,作为原位水解制备P3HT/ZnO杂化膜的模板和前躯体。对器件基于水解交联的P3HT-b-PZn(MA)2嵌段共聚物得到的交联的P3HT/ZnO纳米复合膜和未交联的P3HT/ZnO进行了比较。器件基于交联的P3HT/ZnO纳米复合膜具有更高的能量转换效率和稳定性,主要是交联结构抑制了ZnO纳米晶在聚合物基质中的扩散,提高了ZnO纳米粒子在聚合物中的分散性,交联的结构抑制了宏观相分离现象的发生,有效的提高器件的稳定性。 最后,本文制备了一种基于4,7-联苯-2,1,3-苯并噻二唑末端单巯基功能化的液晶(LC),将液晶分子配到ZnO纳米粒子表面,能明显提高ZnO纳米粒子的分散性,在液晶态温度(160℃)下退火时,能赋予ZnO纳米粒子自组装行为。将这种LC-ZnO杂化材料运用到P3HT/LC-ZnO有机无机杂化太阳能电池中作为受体,能提高P3HT链的有序性和P3HT的结晶性,器件的短路电流能得到明显的提高。更有趣的是在液晶态温度退火,P3HT/LC-ZnO膜的形貌能得到更好的改善,表明在液晶态温度下,LC-ZnO的自组装能诱导P3HT的自组装,使P3HT链排列更有序,为电荷的传输提供了一个有序通道,从而使器件的效率得到明显的提高。总之,将具有自组装的LC-ZnO运用到活性层中,能改善相分离,P3HT的结晶性以及活性层结构的有序性,因此,这将是一种很有希望的方法来提高有机无机杂化太阳能电池的性能。 【关键词】：两嵌段共聚物 自组装 光伏 ZnO纳米晶 原位
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第1章 绪论11-39
• 1.1 引言11-12
• 1.2 有机无机杂化太阳能电池12-18
• 1.2.1 有机无机杂化太阳能电池的结构和工作原理13-15
• 1.2.2 太阳能电池光伏性能测试15-18
• 1.3 提高有机无机杂化太阳能电池能量转化效率(PCE)的策略18-37
• 1.3.1 活性层厚度的优化18-19
• 1.3.2 无机半导体几何形貌的控制19-21
• 1.3.3 无机半导体纳米晶的表面修饰21-26
• 1.3.4 共轭聚合物的功能化26-28
• 1.3.5 提高光的吸收28-30
• 1.3.6 活性层形貌优化与调控30-34
• 1.3.7 在共轭聚合物中原位制备无机半导体纳米晶受体34-37
• 1.4 本课题提出的意义37-39
• 第2章 通过自组装的两嵌段共聚物原位制备棒状ZnO/聚噻吩杂化材料及其在光电器件中的应用39-56
• 2.1 引言39-40
• 2.2 实验部分40-45
• 2.2.1 实验原料及主要试剂40-41
• 2.2.2 实验仪器及表征手段41-42
• 2.2.3 聚合物及聚合物/ZnO纳米晶的合成与制备42-44
• 2.2.4 太阳能电池器件的制备与表征44-45
• 2.3 结果与讨论45-54
• 2.3.1 聚合物及纳米复合材料的微观形貌45-50
• 2.3.2 聚合物及纳米复合膜的光物理特性50-52
• 2.3.3 太阳能电池器件性能52-54
• 2.4 本章小结54-56
• 第3章 通过氮氧自由基原位聚合制备交联的P3HT/ZnO纳米复合膜及其在太阳能电池中的应用56-71
• 3.1 引言56-57
• 3.2 实验部分57-61
• 3.2.1 实验原料及试剂57-58
• 3.2.2 实验仪器及表征手段58-59
• 3.2.3 交联和未交联聚合物/ZnO纳米晶复合物的合成与制备59-60
• 3.2.4 太阳能电池器件的制备与表征60-61
• 3.3 实验结果与讨论61-70
• 3.3.1 合成与表征61-63
• 3.3.2 未交联与交联的P3HT/ZnO纳米复合膜的微观形貌63-65
• 3.3.3 未交联与交联的P3HT/ZnO纳米复合膜的光物理特性65-67
• 3.3.4 基于未交联与交联的P3HT/ZnO纳米复合膜的光伏性能67-70
• 3.4 本章小结70-71
• 第4章 液晶诱导ZnO纳米晶自组装提高杂化太阳能电池器件性能71-92
• 4.1 引言71-72
• 4.2 实验部分72-75
• 4.2.1 实验原料及试剂72-73
• 4.2.2 实验仪器及表征手段73-74
• 4.2.3 液晶小分子的合成74
• 4.2.4 太阳能电池器件的制备与表征74-75
• 4.3 实验结果与讨论75-91
• 4.3.1 液晶小分子的热学性能75-76
• 4.3.2 液晶小分子的光物理与电化学特性76-78
• 4.3.3 液晶小分子/ZnO的光学性能78
• 4.3.4 液晶小分子/ZnO的微观形貌78-79
• 4.3.5 器件性能79-81
• 4.3.6 P3HT/ZnO和P3HT/LC-ZnO的紫外吸收及偏振紫外吸收81-88
• 4.3.7 P3HT/LC-ZnO膜的XRD88
• 4.3.8 荧光光谱图88-89
• 4.3.9 P3HT/ZnO和P3HT/LC-ZnO膜的微观形貌89-91
• 4.4 本章小结91-92
• 第5章 结论与展望92-94
• 5.1 结论92-93
• 5.2 展望93-94
• 致谢94-95
• 参考文献95-107
• 攻读学位期间的研究成果107-108

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

量子点在聚合物太阳电池中的应用    岳文瑾;聂光军;

聚3-己基噻吩的合成及表征    宫玉梅;夏令明;梁青;郭静;张鸿;

有机层/阴极界面修饰对体异质结聚合物太阳能电池性能的影响    张永志;李福山;吴朝兴;蔡寿金;郭太良;

基底温度对喷涂技术制备大面积有机太阳能电池性能的影响    胡雪花;李福山;吴朝兴;郭太良;

Synthesis and Photovoltaic Properties of Poly(5,6-bis(octyloxy)-4,7- di(thiophen-2-yl)benzo-[c][1,2,5]-thiadiazole-9,9-dioctylfuorene)    Liwei Wang;Feiyao Qing;Yeping Sun;Xiaoyu Li;Haiqiao Wang;

巯基化P3HT衍生物的合成与表征    孙海燕;马海红;徐卫兵;周正发;

ZnO纳米颗粒的可控化学改性及其在太阳电池上的应用    瞿启云;沈薇;

Properties of Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition Barrier Coatings and Encapsulated Polymer Solar Cells    齐磊;张春梅;陈强;

量子点-聚合物纳米复合材料的研究进展    骆乐;向卫东;谢翠萍;钟家松;梁晓娟;邹军;吕春燕;

苯胺类与2,1,3-苯并硒二唑共轭共聚物的金属配合物催化法合成及其碘掺杂    吐尼莎古丽·阿吾提;麦麦提依明·马合木提;韩艳;司马义·努尔拉;

MoO_3对有机太阳能电池性能影响的研究    王娜娜;于军胜;王琦;单娟;蒋亚东;

基于硅纳米线阵列的有机/无机杂化光伏电池的制备及性能表征研究    申小娟

通过界面修饰改善聚合物太阳能电池性能的研究    刘晓东

喷涂法制备聚合物太阳能电池器件研究    陈征

有机—无机杂化光伏电池中的界面效应及调控研究    张付特

基于电极界面层调控实现电池高效聚合物太阳池的研究    何志才

星形齐聚噻吩衍生物的制备及其光、电性能与应用研究    关丽

吡嗪聚合物和卟啉小分子的合成及其光伏性能研究    秦红梅

一维壳核式复合半导体杂化敏化太阳能电池的研究    孙宝

ZnO微纳结构制备及光学性能研究    梁志强

基于卟啉的小分子和聚合物的合成及其光伏性能研究    黄玉英

本体异质结有机太阳能电池的数值模拟    刘伟

有机光导小分子材料的合成与表征    毕晓漫

锡基硫/氧化物薄膜的原位制备及其光电性能的研究    王敏

Ⅰ-Ⅵ族纳米晶薄膜材料的室温原位合成及在杂化薄膜太阳能电池中的应用    雷岩

有机光电功能材料的理论研究及设计    张燕

掺杂对聚合物导电性的影响的理论研究    陈春香

纳米结构金属的表面等离效应在有机太阳能电池中的应用    樊国强

新型氧化锌（ZnO）纳米结构的合成生长机理和光学性能研究    聂宇婷

新型富勒烯衍生物的合成以及在聚合物太阳能电池中的应用    杨涛

有机光伏器件的界面电子结构及其电子复合与产生过程的研究    李剑

ZnO纳米棒阵列的水热生长条件对柔性染料敏化太阳能电池的影响(英文)    朱新波;方晓东;邓赞红;董伟伟;王时茂;邵景珍;胡林华;朱俊;

ZnO纳米晶体的同轴送氧激光制备及其特性    鲁金忠;张永康;周骏;孔德军;任旭东;葛涛;

ZnO纳米四脚状阵列电极染料敏化太阳能电池    冯跃军;庞起;何军;梁春杰;周立亚;

Zn基ZnO纳米棒阵列的制备和发光特性    王金芳;孙晓燕;刘长友;介万奇;

Zn纳米粒子/ZnO纳米棒的光催化降解特性    洪勇;王树林;李来强;徐波;韩光强;

ZnO纳米棒阵列膜的制备及其光电化学性能研究    王海锋;王树林;蹇敦亮;陈海燕;丁浩冉;

滚筒刷状ZnO纳米结构宏观体的制备及表征    许玉娥;杜甲印;

ZnO纳米棒阵列的可控生长与表征    魏琳;张光华;李康;焦军;陈延学;

多孔ZnO纳米片的制备及气敏性能研究    巩飞龙;张永辉;肖元化;卢灵珍;张爱勤;李峰;

水热法可控合成ZnO纳米棒及其光催化性能研究    卢红霞;於秀君;韩艳丽;范冰冰;

ZnO纳米球制备染料敏化太阳能电池电极的研究    武丽慧;张永哲;韩立中;康翠萍;谢二庆;

维度变化导致ZnO纳米带出现金属性    王秀军;陈冠华;

低温湿化学法制备ZnO纳米棒阵列膜    王玉新;李新勇;

ZnO纳米晶的拉曼光谱    吴尝;朱克荣;周广东;

丝网印刷ZnO纳米锥场发射特性研究    于灵敏;朱长纯;

种子层对染料敏化ZnO纳米棒光伏电池性能的影响    王明军;方国家;艾磊;刘逆霜;高慧敏;赵兴中;

ZnO纳米碟的发光与Raman光谱图像    徐春祥;朱光平;J.Kasim;李欣;陈瑞添;杨仪;申泽骧;孙小卫;

单一前驱体溶剂热法制备花样ZnO纳米结构    孔林;王亮;杨家祥;许献云;周虹屏;吴杰颖;田玉鹏;

ZnO纳米棒阵列/CdS纳米晶复合结构的制备及其光电性质    韩啸;程轲;张电波;师清;戴树玺;杜祖亮;

特殊ZnO纳米结构的自组装合成与表征    黄在银;谭学才;袁爱群;吴健;周泽广;

ZnO纳米粒子的制备及其表面光电特性的研究    林艳红

SiO_2包埋的ZnO纳米粒子的制备及其结构和光学特性研究    刘玉学

掺杂ZnO（ZYO，ZMEO）和ZnO纳米复合材料（MgO/ZnO，Ag/ZNTs）的光学性能研究    高铭

ZnO纳米结构的制备、表征及其光学性质研究    范东华

ZnO纳米结构形态调控与表面光电性能研究    杨峰

零维Ge和一维ZnO纳米结构与器件    万青

ZnO纳米晶的修饰、自组装及光学性质研究    董林

ZnO纳米薄膜和纳米棒的制备及其掺杂改性研究    Musbah Hamed Babikier Elmahi

金属/ZnO纳米复合结构化学气相法制备和物性研究    李志

垂直ZnO纳米棒阵列的水溶液法可控生长及N掺杂ZnO薄膜的电学机制研究    李庆伟

ZnO纳米棒阵列制备及染料敏化太阳能电池研究    张晓楠

一维有序ZnO纳米棒阵列薄膜的制备及应用    刘然

一维ZnO纳米结构的光电特性及表面改性研究    王恬

ZnO纳米结构的制备及其发光特性研究    孙伟

ZnO纳米片网络结构和Ge纳米棒阵列的制备及其气敏和场发射性能研究    赵青

本征及In掺杂ZnO纳米结构的光电性能与应用    刘如喜

可控合成Mg掺杂ZnO纳米晶的化学动力学研究    张娜

基于ZnO纳米结构电阻式紫外探测器的研究    陈超

湿法腐蚀结合ZnO纳米棒作为硅基太阳能电池减反膜的研究    王韬