光退火ZnO阴极缓冲层对聚合物太阳能电池性能影响的研究

【摘要】：近年来,聚合物太阳能电池(Polymer Solar Cell,PSC),尤其是倒置结构的聚合物太阳能电池(Inverted Polymer Solar Cell,IPSC)逐渐成为太阳能光伏领域的研究热点。采用溶胶凝胶法制备的ZnO薄膜具有制备工艺简单,高透光率和高稳定性等优点,作为阴极缓冲层在IPSC器件中得到普遍应用。由于IPSC通常采用耐热性较差的普通玻璃或柔性材料作为衬底,因此在后处理工艺中一般在200~300℃温度下对Zn O薄膜退火。而低温退火导致薄膜结晶质量较差,表面及内部缺陷较多,不利于电子的提取和传输,对器件性能产生了不良影响。虽然有采用快速热退火工艺改善ZnO薄膜结晶特性的文献报道,但快速热退火设备操作比较复杂和热成本较高,并且受炉腔体积限制,该方法对PSC器件的大面积批量生产也还有困难。本论文采用卤钨灯阵列照射ZnO薄膜表面的方法对其进行光退火(Photo-thermal Annealing,PTA),在不损伤衬底的情况下可使退火温度达到500℃。PTA技术可改善ZnO阴极缓冲层的结晶质量,增大薄膜表面粗糙度,减少了薄膜表面及内部缺陷,进而提高器件的性能。具体的研究内容如下:首先,对在ITO玻璃衬底上溶胶凝胶生长的ZnO薄膜进行PTA处理,制备了结构为ITO/ZnO/P3HT:PC61BM/MoO3/Ag的IPSC器件,并探索了不同PTA温度和时间对器件性能的影响,确定了退火温度500℃、退火时间10秒的最佳工艺条件。与常用的低温热退火工艺相比,在该退火条件下制备的IPSC器件的光电转效率提高了14.7%,达到了3.74%。SEM、PL和AFM的测试结果表明,与常规热退火制备的Zn O薄膜(Zn O film treated by conventional thermal annealing,称之为CTA-ZnO)相比,PTA处理的ZnO薄膜(称为PTA-ZnO)具有较大的晶粒尺寸,较低的表面和内部缺陷以及更大的表面粗糙度。而高粗糙度的表面形貌能够增强薄膜表面的光子散射,起到和绒面单晶硅相似的“陷光”作用,从吸收光谱可看出,有源层在500nm附近的光吸收明显增强。然后,为了提高器件效率,我们采用一种新型的窄带隙聚合物材料PTB7作为给体,PC_(71)BM作为受体,同样用PTA技术对ZnO阴极缓冲层进行了处理,制备了结构为ITO/PTA-ZnO/PTB7:PC_(71)BM/MoO3/Ag的IPSC器件。从有源层的吸收光谱可发现,器件在600~700nm范围内光吸收明显增强,说明采用新的材料体系后,PTA-ZnO同样具有陷光效应。与常规热退火相比,采用PTA-ZnO作为缓冲层的IPSC器件,其光电转换效率提高了17.1%,达到了7.66%。本论文通过卤钨灯阵列照射ZnO阴极缓冲层进行了快速光退火,降低了ZnO薄膜表面和内部的缺陷,提高了薄膜的结晶质量。所形成的高粗糙度表面形貌增强了光在ZnO薄膜表面的反射和折射,使更多的光子进入有源层,增强了光吸收。采用PTA-ZnO作为阴极缓冲层的聚合物太阳能电池,其光电转换效率得到明显提高。该方法操作工艺简单,适用于大面积IPSC器件的制备,具有较大的实用价值和广阔的应用前景。 【关键词】：聚合物太阳能电池 光退火 ZnO阴极缓冲层 能量转换效率
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-31
• 1.1 引言11-12
• 1.2 聚合物太阳能电池的研究背景12-13
• 1.3 聚合物太阳能电池的简介13-18
• 1.3.1 聚合物太阳能电池的组成结构13-14
• 1.3.2 聚合物太阳能电池的基本原理14-15
• 1.3.3 聚合物太阳能电池等效电路和主要参数15-18
• 1.4 聚合物太阳能电池的材料18-27
• 1.4.1 电极缓冲层材料18-22
• 1.4.2 聚合物常用给体材料22-25
• 1.4.3 PTB7:PC_(71)BM形貌的研究25-27
• 1.5 光退火技术27-29
• 1.5.1 光退火工作原理27-28
• 1.5.2 光退火的优点28-29
• 1.6 本论文的工作29-31
• 第2章 光退火ZnO阴极缓冲层对P3HT:PCBM聚合物太阳能电池性能的影响31-43
• 2.1 器件结构及能级图31
• 2.2 器件制备的实验过程31-33
• 2.3 实验结果与分析33-42
• 2.3.1 ZnO薄膜光退火时间的探索33-34
• 2.3.2 ZnO薄膜光退火温度的探索34-35
• 2.3.3 PTA-ZnO与CTA-ZnO制备的器件对比实验35-36
• 2.3.4 ZnO表面形貌分析36-39
• 2.3.5 光学特性分析39-41
• 2.3.6 外量子效率分析41-42
• 2.4 本章小结42-43
• 第3章 光退火ZnO阴极缓冲层对PTB7:PC_(71)BM聚合物太阳能电池性能的影响43-51
• 3.1 CTA-ZnO和PTA-ZnO制备PTB7:PC_(71)BM聚合物太阳能电池的对比实验43-47
• 3.1.1 器件的结构及能级图44
• 3.1.2 实验过程及器件测试44-45
• 3.1.3 器件的J-V特性和EQE曲线对比分析45-47
• 3.1.4 吸收光谱分析47
• 3.2 有源层最佳厚度的优化47-50
• 3.2.1 器件制备的实验过程47-48
• 3.2.2 器件的J-V特性曲线分析48-50
• 3.3 本章小结50-51
• 第4章 总结51-52
• 参考文献52-59
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果59-60
• 致谢60

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