二氧化钛纳米薄膜的制备与杂化太阳能电池的研究

【摘要】：随着科技的发展和能源需求的提升，太阳能电池引起了广泛的研究和关注并有了飞速的发展。有机/无机杂化太阳能电池因其综合了有机和无机两种半导体的优越性从而显示出巨大的发展潜力。有机/无机杂化材料兼具无机材半导体料的高载流子迁移率、高稳定性、高机械强度以及有机半导体的结构多样性、高光谱吸收率、易加工和柔韧性等优点，因此杂化太阳能电池的研制具有重要的理论意义和潜在的应用价值。本课题主要从二氧化钛纳米材料的制备以及合成的二氧化钛应用于太阳能电池器件的研制这两方面展开工作。 首先采用了静电纺丝技术制备二氧化钛（TiO_2）纳米纤维和溶胶-凝胶法制备TiO_2纳米致密薄膜。扫描电镜分析表明纳米纤维的直径和均匀性受纺丝液成分和浓度的影响很大，纺丝液配比为500mg聚乙烯吡咯烷酮与0.3ml钛酸丁酯所制备的纳米纤维形貌最好；致密溶胶-凝胶膜受催化剂酸碱性影响很大，酸性条件下制备的致密薄膜形貌更好。 其次通过X射线衍射、拉曼、红外和X射线光电子能谱对TiO_2物相结构进行了分析。X射线衍射和拉曼光谱分析表明不同制备方法和热处理保温时间的改变对TiO_2晶型有很大影响，随着保温时间的增加，静电纺丝法制备的TiO_2为锐钛矿和金红石的混晶结构，而溶胶-凝胶法制备的TiO_2仍为纯锐钛矿结构；光电子能谱和红外光谱分析表明，静电纺丝法制备的TiO_2中形成了晶格碳掺杂。 最后利用自行合成的多层平面TiO_2纳米纤维与共轭聚合物共混，制备出有序异质结杂化太阳能电池器件。对所制备的电池器件进行电流密度-电压特性测试，得出了活性层界面修饰、TiO_2热处理保温时间、有无TiO_2电纺纤维以及TiO_2溶胶-凝胶膜厚对器件性能具有一定影响。综合组织结构分析和光电性能测试得到最优器件结构为ITO玻璃/致密TiO_2（100nm）/多空隙TiO_2纤维（500℃热处理3h）/Z907/P3HT/MoO3/Al，最终获得0.42%的光电转换效率。本课题结果为制备其它类型共轭聚合物的杂化太阳能电池提供了重要参考依据，有望得到更高的器件效率。 【关键词】：太阳能电池 有机/无机杂化 二氧化钛 静电纺丝 溶胶凝胶
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-20
• 1.1 课题背景及研究意义9-10
• 1.2 杂化太阳能电池国内外研究发展现状10-12
• 1.3 杂化太阳能电池光电转换机理12-15
• 1.4 杂化太阳能电池材料和结构15-17
• 1.4.1 共轭聚合物给体材料15-16
• 1.4.2 无机纳米晶受体材料16
• 1.4.3 杂化太阳能电池异质结结构16-17
• 1.5 杂化太阳能电池界面修饰17-18
• 1.5.1 电极修饰17-18
• 1.5.2 给体/受体界面修饰18
• 1.6 本论文选题思路及主要研究内容18-20
• 第2章 实验材料和方法20-29
• 2.1 实验试剂与设备20-21
• 2.2 实验方法21-29
• 2.2.1 溶胶-凝胶法制备 TiO_2致密薄膜21-24
• 2.2.2 静电纺丝法制备 TiO_2纤维24-25
• 2.2.3 材料的表征25-26
• 2.2.4 太阳能电池器件的制备26-27
• 2.2.5 膜厚测量27-28
• 2.2.6 太阳能电池器件的测试28-29
• 第3章 TiO_2的组织与结构分析29-48
• 3.1 扫描电镜及能谱分析29-36
• 3.1.1 TiO_2溶胶-凝胶膜的 SEM 分析29-31
• 3.1.2 TiO_2纳米纤维的 SEM 分析31-35
• 3.1.3 TiO_2两种制备方法的 EDS 分析35-36
• 3.2 X 射线粉末衍射分析36-40
• 3.2.1 溶胶-凝胶法制备 TiO_2的 XRD 分析36-38
• 3.2.2 静电纺丝法制备 TiO_2的 XRD 分析38-40
• 3.3 拉曼光谱分析40-42
• 3.3.1 溶胶-凝胶法制备 TiO_2的 Raman 分析40-41
• 3.3.2 TiO_2两种制备方法的 Raman 对比41-42
• 3.4 X 射线光电子能谱分析42-46
• 3.4.1 静电纺丝法制备 TiO_2的 XPS 分析42-44
• 3.4.2 C 掺杂机理分析44-46
• 3.5 红外光谱分析46-47
• 3.6 本章小结47-48
• 第4章 TiO_2/聚合物杂化太阳能电池的光电性能48-63
• 4.1 活性层界面修饰对器件性能的影响48-52
• 4.1.1 活性层界面无修饰的器件性能分析48-49
• 4.1.2 加入活性层界面修饰的器件性能分析49-52
• 4.2 TiO_2热处理保温时间对器件性能的影响52-56
• 4.3 TiO_2电纺纤维对器件性能的影响56-59
• 4.4 TiO_2溶胶-凝胶膜厚对器件性能的影响59-61
• 4.5 本章小结61-63
• 结论63-64
• 参考文献64-70
• 致谢70

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