聚合物太阳能电池的透明电极、传输层材料研究

【摘要】：聚合物太阳能电池具有制造简单、成本低、有柔韧性、易于大规模生产等优点，在光伏电池领域有着广阔的应用前景，因而成为了近些年有机光电器件研究的前沿热点之一。本文对聚合物太阳能电池的发展历史、现状和它的相关理论作了简要介绍。目前，有机聚合物太阳能电池研究的热点主要集中于材料的选择和器件结构的优化等方面。本文从优化器件结构出发，研究了一种TCO薄膜，为有机太阳能电池的透明电极材料的选择作出了尝试，并研究了传输层材料对基于P3HT:PCBM的聚合物太阳能电池的性能的影响。 作为常用的聚合物太阳能电池的透明电极，ITO的价格较为昂贵，人们研究采用新的透明导电薄膜来作为器件的透明电极。我们用磁控溅射技术在室温下制备了透明导电的SnO_2/Cu/SnO_2多层膜，并利用霍尔效应、四探针、透射谱等表征手段对制备出的样品进行表征。通过实验，得到当中间Cu层厚度为6nm时，薄膜性能最好，其在400-800nm的平均透过率为82.0%，方块电阻为20.1/sq.，表现出良好的可见光透过性和导电性。 垂直于衬底排列的ZnO纳米线由于其结构特点可为给体-受体材料提供更高的界面面积和更为有效的电子传输路径被广泛应用于太阳能电池中。我们以溶胶凝胶法制备了ZnO种子层，用水热法在其上生长了ZnO纳米线阵列，并用X射线衍射、扫描电镜、透射谱对其进行表征。结果表明，我们用此简单的方法在玻璃衬底上制备出了取向良好，排列紧密的ZnO纳米线阵列。我们用磁控溅射技术沉积了ZnO薄膜用作结构为ITO/ZnO/P3HT:PCBM/Ag器件的电子传输层，并对它的光伏性能进行了测试，得到其性能表现为开路电压（Voc）为0.443V，短路电流密度（Jsc）为6.34mA/cm2，填充因子（FF）为21.9%，转化效率为0.614%。 我们采用磁控溅射技术沉积了三氧化钼（MoO_3）薄膜作为聚合物太阳能电池的空穴传输层，以替代PEDOT:PSS，制备了ITO/MoO_3/P3HT:PCBM/Al器件，并同时制备了PEDOT:PSS器件作为对比。并利用X射线衍射、透射谱等表征手段对溅射沉积的MoO_3薄膜进行表征。我们研究了MoO_3薄膜的沉积温度从室温变化到400℃时对器件性能的影响，在400℃时得到器件的最佳性能，开路电压Voc=0.587V，短路电流Jsc=8.42mA/cm2，填充因子FF为51.1%，转换效率为2.53%，其性能优于相同条件制备的PEDOT:PSS器件的转换效率2.16%。我们同时作了器件的稳定性测试。实验得出，在器件无封装保存在空气中120小时时，PEDOT:PSS器件的转换效率仅有0.065%，而优化后的MoO_3器件的转化效率的值仍然接近1%，所以使用溅射MoO_3替代PEDOT:PSS后，器件的稳定性也会有很大的提升。 【关键词】：聚合物太阳能电池 透明导电薄膜 传输层 ZnO MoO_3
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-8
• 目录8-10
• 第1章 绪论10-24
• 1.1 引言10-11
• 1.2 聚合物太阳能电池的发展历程11-12
• 1.3 聚合物太阳能电池的基本工作原理及主要参数12-14
• 1.3.1 聚合物太阳能电池的基本工作原理12-13
• 1.3.2 聚合物太阳能电池性能的基本参数13-14
• 1.4 聚合物太阳能电池的结构14-16
• 1.4.1 单层结构14-15
• 1.4.2 双层结构15
• 1.4.3 混合异质结结构15-16
• 1.4.4 叠层电池结构16
• 1.5 聚合物太阳能电池的材料16-19
• 1.5.1 电极材料16-17
• 1.5.2 空穴和电子传输层材料17
• 1.5.3 活性层材料17-19
• 1.6 本文的主要工作和意义19-21
• 参考文献21-24
• 第2章 溅射制备透明导电 SnO_2/Cu/SnO_2多层膜的特性研究24-34
• 2.1 引言24-25
• 2.2 实验部分25-26
• 2.3 结果和讨论26-30
• 2.3.1 SnO_2/Cu/SnO_2多层膜的电学性质26-27
• 2.3.2 SnO_2/Cu/SnO_2多层膜的光学性质27-29
• 2.3.3 SnO_2/Cu/SnO_2多层膜的光电学特性优值29-30
• 2.4 本章小结30-31
• 参考文献31-34
• 第3章 ZnO 纳米线阵列的制备和 ZnO 薄膜在聚合物太阳能电池的应用34-48
• 3.1 引言34-36
• 3.2 ZnO 纳米线阵列的制备和表征36-39
• 3.2.1 ZnO 种子层的制备36-37
• 3.2.2 ZnO 纳米线的生长37
• 3.2.3 测试仪器37
• 3.2.4 结果与讨论37-39
• 3.3 溅射 ZnO 薄膜作为杂化太阳能电池的电子传输层39-44
• 3.3.1 实验部分40-41
• 3.3.2 测试仪器41
• 3.3.3 结果与讨论41-44
• 3.4 本章小结44-45
• 参考文献45-48
• 第4章 溅射 MoO_3薄膜作为聚合物太阳能电池的空穴传输层的研究48-60
• 4.1 引言48-49
• 4.2 实验部分49-50
• 4.3 测量设备50
• 4.4 结果与讨论50-57
• 4.4.1 器件的能带结构50-52
• 4.4.2 MoO_3空穴传输层的光学透射谱和 XRD 谱分析52-53
• 4.4.3 空穴传输层/活性层的吸收谱分析53-54
• 4.4.4 器件的 I-V 特性分析54-55
• 4.4.5 器件的稳定性研究55-56
• 4.4.6 溅射 MoO_3薄膜后退火对器件性能的影响56-57
• 4.5 本章小结57-58
• 参考文献58-60
• 第5章 工作总结60-62
• 致谢62-64
• 攻读硕士期间完成的论文64-65

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