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

【摘要】：目前的太阳能电池器件生产制作过程中,存在着原材料生产能耗高、pn结制备能耗高、生产工艺复杂等缺点,而利用低温软化学制备技术获得一种具有较好光电性能的窄带隙材料,并在低温条件下与有机半导体材料直接构成pn结,进而组装成具有一定光电转化效率的太阳能电池器件是解决上述能耗问题及复杂工艺问题的重要突破口。本文利用低温／室温的软化学合成方法,在金属箔片及ITO导电玻璃等基底表面原位制备出具有纳米片状结构的Ag2S,CuS,Ag3CuS2等I-VI族化合物半导体薄膜材料并对反应机理进行了研究。该合成方法具有低能耗、反应物简单、溶剂可重复使用、后处理容易、绿色环保等优点,克服了传统溅射、溶剂热、热蒸发、热注入等方法所面临的设备昂贵、高能耗、高温高压、后处理繁琐等缺点。本文对所合成的I-VI族化合物半导体薄膜材料进行了系统的光电性能测试,结果表明三种材料都具有较好的近红外区光吸收性质,特别是合成的Ag2S和Ag3CuS2片状纳米晶薄膜具有较好的光电响应,且表现出n型半导体的电流特征。在成功合成I-VI族化合物片状纳米晶半导体薄膜的基础上,首次将红外光区吸收的窄带隙半导体材料Ag2S与有机共轭聚合物半导体材料P3HT杂化,设计并组装了以无机Ag2S纳米晶薄膜为主要光吸收层的有机/无机杂化薄膜太阳能电池器件,并对器件制备过程中多种影响光电转化效率的因素进行了讨论,最终在以氯苯为溶剂的条件下制备出具有ITO/Ag2S:P3HT/Au结构的杂化太阳能电池器件并获得了2.04%的光电转化效率。值得注意的是,该种杂化薄膜太阳能电池可以获得高达20mA/cm2的短路电流密度。在以上Ag2S:P3HT太阳能电池器件的基础上,本文还成功制备出Ag3CuS2三元化合物半导体薄膜材料并初步完成了具有ITO/Ag3CuS2:P3HT/MoO3/Ag结构的有机/无机杂化薄膜太阳能电池器件的组装和相关性能测试,在AM1.5G的模拟太阳光下获得了0.39%的光电转化效率。 本文创新点主要表现在以下几个方面：(1)利用室温软化学方法,在ITO导电玻璃表面原位制备出具有片状纳米晶阵列结构的Ag2S, CuS, Ag3CuS2等光电半导体薄膜材料；(2)整个材料制备和器件组装过程都在室温下进行,使用的溶剂可以重复利用,几乎无能耗；(3)所得硫化物无机纳米晶薄膜的纳米片状阵列结构有利于同共轭有机分子构建完美的网络互穿结构并形成有序的本体异质结；(4)在目前文献报道的有机/无机杂化薄膜太阳能电池器件中,所组装的以Ag2S:P3HT为活性层的器件具有从紫外区到近红外区最宽的太阳光谱响应和较高的短路电流密度；(5)这种原位构建的太阳能电池器件具有良好的化学和机械稳定性以利于今后工业化生产。 我们将以此为指导来设计制备各种基于Ⅰ-Ⅵ族纳米晶的微观有序本体异质结薄膜太阳能电池,通过对器件内部界面微结构的调控及优化,进一步提高此类新型低能耗、低成本电池器件的光电转换效率。本课题的开展将对本体异质结薄膜太阳能电池的理论研究和光伏性能提升产生积极的推动作用。 【关键词】：Ⅰ-Ⅵ族 硫化物 室温 Ag_2S CuS Ag_3CuS_2 薄膜 杂化 太阳能电池器件
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.42
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目录9-11
• 第一章 前言11-24
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 研究现状12-16
• 1.2.1 CdSe杂化薄膜太阳能电池12-13
• 1.2.2 CdS杂化薄膜太阳能电池13-14
• 1.2.3 TiO_2杂化薄膜太阳能电池14-15
• 1.2.4 ZnO杂化薄膜太阳能电池15-16
• 1.3 有机无机杂化薄膜太阳能电池原理及表征方法16-23
• 1.3.1 有机无机杂化薄膜太阳能电池原理16
• 1.3.2 相关参数16-22
• 1.3.3 测试方法22-23
• 1.4 本课题的选题意义及取得的进展23-24
• 第二章 基于Ag_2S的杂化薄膜太阳能电池器件24-47
• 2.1 前言24-26
• 2.2 硫化银纳米晶薄膜的室温原位合成及表征26-31
• 2.2.1 仪器设备26
• 2.2.2 银片及导电玻璃ITO的处理26-27
• 2.2.3 磁控溅射金属银薄膜27
• 2.2.4 室温原位制备硫化银纳米晶薄膜27-28
• 2.2.5 薄膜的组成及形貌表征28-31
• 2.3 有机无机杂化薄膜太阳能电池器件的组装及优化31-43
• 2.3.1 有机无机杂化薄膜太阳能电池器件的组装31-35
• 2.3.2 P3HT浓度对器件性能的影响35-36
• 2.3.3 不同功函数的电极对器件性能的影响36-39
• 2.3.4 高沸点溶剂对器件性能的影响39-42
• 2.3.5 不同p型有机半导体对器件性能的影响42-43
• 2.4 Ag_2S：P3HT器件的光响应43-46
• 2.5 本章小结46-47
• 第三章 硫化铜薄膜的原位合成及其光电性能讨论47-60
• 3.1 前言47-48
• 3.2 硫化铜纳米晶薄膜的室温合成及其表征48-56
• 3.2.1 铜片基底上样品的制备及表征48-52
• 3.2.2 硫化铜片状晶体的生长机理讨论52-53
• 3.2.3 磨砂玻璃基底上硫化铜薄膜的制备及表征53-54
• 3.2.4 导电ITO玻璃基底上铜的硫化物薄膜的制备及表征54-56
• 3.3 光学性能表征56-57
• 3.4 电化学性能测试57-58
• 3.5 本章小结58-60
• 第四章 基于三元硫化物Ag_3CuS_2的杂化薄膜太阳能电池器件60-68
• 4.1 前言60-61
• 4.2 硫化铜银薄膜的室温合成及其表征61-64
• 4.2.1 硫化铜银薄膜的室温合成61
• 4.2.2 硫化铜银薄膜的表征61-64
• 4.3 杂化薄膜太阳能电池器件组装及性能测试64-66
• 4.3.1 器件组装64-65
• 4.3.2 器件性能测试65-66
• 4.4 光电响应66-67
• 4.5 本章小结67-68
• 总结及下一步工作展望68-70
• 参考文献70-76
• 硕士期间成果76-78
• 致谢78

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