聚合物/无机纳米复合体系太阳能电池光伏性能研究

【摘要】：聚合物太阳能电池(PSCs)以其无污染、低成本、轻质、柔性及易大面积量产等优点成为当今新材料与新能源开发领域中最富活力的热点之一。PSCs的转化效率现已突破10%,虽然在实验研究上取得了长足进步,但是要真正发挥其优势走进商品化之前,该类型电池在器件性能、寿命、制造成本等方面仍存在许多不足,有待继续提高。本论文中,我们基于常见的聚3-己基噻吩:富勒烯(P3HT:PC61BM)体系太阳能电池,从器件结构、膜层形貌特性,界面问题、传输层功能性等方面展开研究,希望通过探讨器件性能的影响因素,进一步加深对于有机给受体材料属性、有机/无机纳米材料间相互作用机理等方面的认识,为聚合物光伏器件性能及稳定性的改善提供一点实验理论依据。论文主要研究内容如下:首先,针对正型结构光伏器件,从活性层成膜处理着手,通过精确控制器件退火过程中气氛环境压强,讨论了气压对于活性层内部结晶形貌形成的影响;此外,采用溶剂辅助双重退火方法有效地提升了P3HT结晶有序性,制备了最高效率为4.2%的正型光伏器件。随后,对比分析了PEDOT:PSS电导性、MoO3、ZnO、Cs2CO3与LiF等修饰层在电荷传输功能上对器件性能的影响。在器件稳定性方面,探讨了ZnO纳米薄膜与PECVD低温制备SiO2薄膜作为封装层在延续电池寿命上的作用效果。另外,我们将PbS量子点(QDs)引入正型结构器件中,制备了双层结构与三元共混结构的PbS QDs/有机复合太阳电池,研究了不同配体取代工艺、量子点成膜工艺对于光谱吸收以及太阳能电池光伏特性的影响。随后,我们采用溶液法对ZnO纳米结构薄膜进行优化制备,使其在电学与光学特性上均满足复合结构光伏器件制备及功能上的需要。通过工艺调整及添加表面活性剂等方法实现了ZnO纳米阵列形态取向性的有效控制;并在此基础上,进一步研究了Mg与Al掺杂对于ZnO纳米棒结晶性以及光学性质等方面的影响。本实验在开放溶液体系中进行,其方法原理同水热法相似,无需高温高压等特殊条件,对于设备条件的要求也较低,因此适于大规模制备低维有序ZnO纳米棒阵列薄膜。接下来,我们针对反型复合体系光伏器件的性能与稳定性问题,重点讨论了ZnO纳米薄膜形态在电子传输功能上的影响;另外,还就反型器件中发现的性能周期性衰减现象——“光浴”(light-soaking)问题进行了系统地分析与研究,从器件构成顺序的角度出发,通过变更电子传输层相邻界面,验证了光浴问题是由ZnO纳米材料O2吸附缺陷造成的电极界面处存在势垒所致,而并非活性层的自身老化。文中最后,我们将光敏染料Z907引入反型器件,采用物理吸附方法将其接枝于ZnO晶体表面,制备了基于共混体系的ZnO/Z907/P3HT:PC61BM结构复合器件,实验发现染料吸附进一步完善了纳米结构与活性层的接触界面,因此有效抑制了ZnO缺陷导致的电荷复合。 【关键词】：聚合物太阳能电池 复合体系 ZnO纳米结构 光伏性能 稳定性
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-24
• 1.1 本论文研究背景及意义11-13
• 1.2 太阳能电池技术概况13-17
• 1.3 聚合物薄膜太阳电池研究进展17-18
• 1.4 论文的主要研究内容及工作18-20
• 参考文献20-24
• 第2章 有机太阳电池原理及特性分析24-53
• 2.1 有机太阳电池工作原理24-28
• 2.1.1 光的吸收与激子产生25-26
• 2.1.2 激子扩散与解离26
• 2.1.3 电荷转移过程及载流子的传输26-27
• 2.1.4 自由载流子的收集27-28
• 2.2 有机光伏电池特性分析28-31
• 2.2.1 开路电压（VOC）28-29
• 2.2.2 短路电流（ISC）29-30
• 2.2.3 填充因子（FF）30-31
• 2.2.4 光电转化效率（η）31
• 2.3 有机薄膜太阳电池材料31-38
• 2.3.1 有机电子给体/受体材料31-35
• 2.3.2 电极材料35-36
• 2.3.3 界面修饰层材料36-38
• 2.4 有机光伏器件结构38-40
• 2.5 有机薄膜特性表征方法40-43
• 2.6 本章小结43-44
• 参考文献44-53
• 第3章 基于正型结构的聚合物太阳能电池特性研究53-102
• 3.1 器件制备工艺流程及测试方法53-60
• 3.1.1 实验制备所用材料及仪器设备53-54
• 3.1.2 聚合物太阳能电池制备工艺流程54-58
• 3.1.3 聚合物太阳能电池伏安特性测试58-59
• 3.1.4 功能层薄膜物理特性的表征59-60
• 3.2 聚合物共混层结晶形貌对于光伏器件性能的影响60-68
• 3.2.1 退火环境压强对于聚合物光伏器件性能的影响60-65
• 3.2.2 溶剂辅助退火对于聚噻吩结晶度及其光伏性能的影响65-68
• 3.3 电荷传输层对于器件光伏性能的影响68-78
• 3.3.1 空穴传输层的选取及性能优化69-75
• 3.3.2 不同阴极修饰层对于光伏器件性能的影响75-78
• 3.4 封装工艺对于聚合物光伏器件寿命的影响78-84
• 3.4.1 实验封装方法78-82
• 3.4.2 封装效果分析82-84
• 3.5 PbS量子点/有机复合太阳能电池的制备研究84-95
• 3.5.1 PbS量子点/有机复合太阳能电池的研究背景84-85
• 3.5.2 PbS量子点的合成制备85-89
• 3.5.3 基于PbS量子点/有机混合太阳能电池的制备及性能研究89-95
• 3.6 本章小结95-96
• 参考文献96-102
• 第4章 氧化锌纳米结构制备及其光学特性研究102-130
• 4.1 实验制备方法103-106
• 4.1.1 所用试剂及测试仪器103
• 4.1.2 ZnO纳米棒薄膜的生长机理103-104
• 4.1.3 ZnO纳米晶种层的制备104-105
• 4.1.4 ZnO纳米棒的溶液生长105-106
• 4.2 ZnO纳米阵列的形态控制研究106-118
• 4.2.1 ZnO晶种层前驱溶液浓度的影响106-109
• 4.2.2 生长溶液浓度的影响109-111
• 4.2.3 ZnO纳米棒长度与生长时间的关系111-113
• 4.2.4 ZnO纳米棒阵列取向性的控制113-117
• 4.2.5 ZnO纳米棒阵列薄膜的发光性质117-118
• 4.3 掺杂ZnO纳米棒阵列的制备研究118-125
• 4.3.1 掺铝ZnO纳米棒阵列的制备研究118-121
• 4.3.2 掺镁ZnO纳米棒阵列的制备研究121-125
• 4.4 本章小结125-126
• 参考文献126-130
• 第5章 基于反型结构的复合太阳能电池优化及特性研究130-165
• 5.1 器件结构及制备工艺130-131
• 5.2 ZnO/聚合物纳米复合结构光伏器件性能优化131-141
• 5.2.1 ZnO纳米晶薄膜厚度对于光伏器件性能的影响131-133
• 5.2.2 ZnO纳米薄膜形态（致密性）的影响133-136
• 5.2.3 ZnO薄膜退火处理温度的影响136-138
• 5.2.4 ZnO纳米棒阵列及其取向性对于光伏器件性能的影响138-141
• 5.3 反型器件性能周期性衰减现象的研究及其机理解释141-151
• 5.3.1 持续光照对于反型器件性能的影响141-144
• 5.3.2 持续光照对于反型器件寿命的影响144-145
• 5.3.3 ZnO电子传输层对于反型器件“light-soaking”效应的影响145-151
• 5.4 Z907光敏染料对于复合器件光伏性能的影响151-158
• 5.4.1 Z907染料特性分析152-156
• 5.4.2 Z907染料对于复合器件性能的影响156-158
• 5.5 本章小结158-159
• 参考文献159-165
• 结论165-167
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单167-168
• 致谢168-169
• 作者简介169

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