氧化锌基有机太阳能电池的制备及性能研究

【摘要】：有机太阳能电池因具有绿色环保、低成本、制备工艺简单及可实现大面积生产等优点，是实现大规模利用太阳能发电的重要途径。然而，传统的有机太阳能电池稳定性较差，有机聚合物载流子迁移率较低，为了优化器件性能和提高器件稳定性，加入无机纳米材料，制备倒置结构的有机光伏器件是解决这一问题的有效措施。 本论文的研究工作中，围绕氧化锌（ZnO）无机纳米材料展开，利用它良好的电子收集和传导特性，用于制备倒置结构有机太阳能电池。通过退火处理及对不同纳米结构的ZnO进行掺杂，研究了退火温度、掺杂浓度及ZnO形貌对光伏器件性能的影响。具体工作分为以下三个方面： 第一，利用溶胶-凝胶法制备ZnO纳米颗粒，研究了不同退火温度对倒置结构有机太阳能电池（ITO/ZnO/P3HT:PCBM/MoO_3/Ag）性能的影响。退火温度为300℃时得到了最大的光电转换效率2.82%。通过表面形貌分析，表明在适当温度退火下ZnO纳米颗粒粗糙度适中，与活性层接触良好，提供了更多有利于激子分离的界面和更多电子传输通道；表面电势分析表明适当的温度退火降低了界面的能级势垒。另外，我们注意到当退火温度较高时（300℃），ITO导电薄膜的面电阻成倍增长，导电性降低，降低了器件的性能。所以，适当的退火温度是优化光伏器件性能的重要参数。 第二，通过水热法制备了不同浓度（0 at. %，0.5 at.%，1.0 at.%和1.5 at.%）的Al~(3+)掺杂ZnO纳米棒（AZO），得到了c轴生长明显且较为整齐的ZnO纳米棒阵列。利用AZO良好的传输电子的能力，将其代替ITO用于太阳能电池的制备。由于掺杂增加了自由电子和载流子浓度，降低了面电阻。掺杂后ZnO形成更多的电子捕获能级，有利于从活性层中导出电子，减少激子复合。测试表明低浓度（0.5 at. %）掺杂的ZnO纳米棒同时作为电极和电子传输层，应用在有机太阳能电池的制备中，对电子传输起到了积极作用，得到了0.71%的光电转化效率，相比无掺杂的ZnO纳米棒的电池器件，光电转化效率提高了50%。 第三，在研究Al~(3+)掺杂ZnO纳米棒的基础上，通过溶胶-凝胶法制备了不同浓度（0at. %，0.5 at.%，1.0 at.%和1.5 at.%）的Al~(3+)掺杂ZnO纳米晶，期望能够避免因为纳米棒过长穿透活性层，降低器件性能。通过低浓度掺杂得到分布均一、密集的ZnO纳米颗粒。随着掺杂浓度升高，ZnO纳米晶表面粗糙度有增大的趋势。通过对材料进行紫外-可见吸收光谱的测试，证明薄膜对可见光的透过率较高，但通过晶体结构测试和能级结构分析，认为退火温度不恰当造成Al析出，没有形成有效掺杂；Al原子在界面处聚集，影响了ZnO的表面势能，破坏了电子的定向性流动；Al~(3+)导致ZnO表面过于粗糙，界面接触不充分，阻碍了激子的快速分离和导出。因此，基于Al~(3+)掺杂ZnO纳米晶制备的太阳能电池并没有得到理想的性能。 【关键词】：氧化锌 倒置结构有机太阳能电池 退火 掺杂 光电性能
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-20
• 1.1 引言9
• 1.2 太阳能电池的基本理论9-13
• 1.2.1 有机太阳能电池的工作原理9-10
• 1.2.2 太阳能电池的等效电路10-11
• 1.2.3 太阳能电池的主要参数11-12
• 1.2.4 有机太阳能电池的研究现状12-13
• 1.3 ZnO 作缓冲层13-18
• 1.3.1 ZnO 在正置结构电池中作缓冲层13-14
• 1.3.2 ZnO 在倒置结构电池中作缓冲层14-16
• 1.3.3 纳米结构的 ZnO 在倒置结构电池中作缓冲层16-17
• 1.3.4 修饰过的 ZnO 在倒置结构电池中作缓冲层17-18
• 1.4 ZnO 作电极18-19
• 1.5 本论文研究内容和意义19-20
• 第二章 实验原料、设备及装置20-24
• 2.1 实验原料和药品20-21
• 2.2 实验装置21-22
• 2.3 表征手段22-24
• 第三章 ZnO 退火温度对倒置结构有机太阳能电池性能的影响24-36
• 3.1 引言24
• 3.2 实验部分24-26
• 3.2.1 基底的切割与清洗25
• 3.2.2 制备 ZnO 纳米颗粒25-26
• 3.2.3 倒置结构有机太阳能电池的制备26
• 3.3 退火温度对器件性能的影响26-35
• 3.3.1 退火温度的选择26-27
• 3.3.2 器件性能分析27-29
• 3.3.3 器件中的电子转移机制29-30
• 3.3.4 表面形貌和粗糙度分析30-32
• 3.3.5 晶体结构分析32-33
• 3.3.6 导电性能分析33-34
• 3.3.7 稳定性分析34-35
• 3.4 小结35-36
• 第四章 Al 掺杂 ZnO 纳米棒的制备和性能研究及在太阳能电池中的应用36-45
• 4.1 引言36-37
• 4.2 实验部分37-38
• 4.2.1 基底的切割与清洗37
• 4.2.2 制备种子层37-38
• 4.2.3 生长纳米棒38
• 4.2.4 制备光伏器件38
• 4.3 材料表征及器件性能测试38-43
• 4.3.1 表面形貌分析38-39
• 4.3.2 晶体结构分析39-40
• 4.3.3 器件中的电子转移机制40-42
• 4.3.4 导电性能分析42
• 4.3.5 器件性能分析42-43
• 4.4 小结43-45
• 第五章 Al 掺杂 ZnO 纳米晶的制备和性能研究及在太阳能电池中的应用45-52
• 5.1 引言45
• 5.2 实验部分45-46
• 5.2.1 基底的切割与清洗45
• 5.2.2 制备 Al~(3+)掺杂 ZnO 纳米晶45-46
• 5.2.3 制备光伏器件46
• 5.3 材料表征及器件性能测试46-51
• 5.3.1 表面形貌和粗糙度分析46-48
• 5.3.2 光学性能分析48-49
• 5.3.3 导电性能分析49-50
• 5.3.4 器件性能分析50-51
• 5.4 小结51-52
• 第六章 全文总结及工作展望52-54
• 6.1 全文总结52-53
• 6.2 今后工作展望53-54
• 参考文献54-60
• 发表论文和科研情况说明60-61
• 致谢61-62

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