基于氧化锌界面修饰层在有机太阳能电池中的应用

【摘要】：有机太阳能电池相比传统硅基太阳能电池具有低成本、轻质、柔韧性好等优点，成为了热点研究方向之一。近几年来，随着新的活性材料和先进加工工艺的发展，光电转化效率迅速提高，目前实验室报道已经达到10%左右。然而，由于传统有机太阳能电池中的酸性空穴传输层PEDOT:PSS腐蚀ITO，且Al等低功函数电极容易被氧化，使得器件稳定性变差。因此，研究人员开发了反向构型的有机太阳能电池。在该类型器件结构中，除了Ag、Au等高功函数电极和活性层外，活性层与ITO电极间的阴极界面层对器件的性能也会产生重要的影响。 在众多的阴极界面材料中，ZnO作为界面层具有良好的透过率和环境稳定性、制备简单、低的结晶温度以及高的载流子迁移率等优点，引起了广泛地关注。然而，ZnO纳米粒子容易聚集且其表面有一定的缺陷，造成ZnO薄膜具有明显的表面缺陷，使得与活性层拥有较差的界面接触，导致严重的载流子复合。为此，本文主要从以下三个方面对ZnO界面层进行修饰，并取得良好的效果。 (1)通过ZnO纳米粒子与TiO2纳米棒的溶液混合形成了混合界面层，与单一材料界面层相比，混合界面层与活性层具有良好的界面接触，降低了接触电阻和漏电流。同时，ZnO纳米粒子增加了与活性层接触面积，TiO2纳米棒提供了电子传递的直接运输通道，所以，混合界面层提高了器件的电子收集和传递效率。进而使得混合界面层的器件效率达到了8.82%。 (2)通过富勒烯衍生物PyC60对ZnO界面层修饰形成ZnO/PyC60双层界面层，降低了ZnO的表面缺陷，改善了与活性层的接触质量，减少了活性层与ZnO界面层之间的电子注入势垒，从而提高了电子收集，降低了漏电流的产生，器件效率达到了8.76%。 (3)通过调控混合溶剂(氯仿和甲醇)的比例的方法，降低ZnO纳米粒子的聚集，形成粗糙度低、致密均一的ZnO薄膜。降低了漏电流的产生，提高了与活性层的接触质量，从而提高单一ZnO薄膜为界面层的器件的效率(8.58%)。 【关键词】：有机太阳能电池 界面修饰 氧化锌
【学位授予单位】：湖南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4;TQ132.41
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 引言10-11
• 1.2 有机太阳能电池简介11-15
• 1.2.1 有机太阳能电池的工作原理11-12
• 1.2.2 有机太阳能电池的性能参数12-13
• 1.2.3 有机太阳能电池的结构13-15
• 1.3 有机太阳能电池的界面材料15-16
• 1.4 ZnO 作为界面材料在有机太阳能电池中的应用16-17
• 1.4.1 ZnO 在正向器件结构中作界面层16
• 1.4.2 ZnO 在反向器件结构中作界面层16-17
• 1.4.3 ZnO 界面层的修饰方法17
• 1.5 本论文研究内容及意义17-20
• 第二章 ZnO 纳米粒子与 TiO_2纳米棒组成的混合界面层在反向有机太阳能电池器件中的应用20-30
• 2.1 前言20-21
• 2.2 实验部分21-22
• 2.2.1 主要原料及试剂21
• 2.2.2 实验表征仪器21
• 2.2.3 ZnO 纳米颗粒的制备21-22
• 2.2.4 TiO_2纳米棒的制备22
• 2.2.5 混合界面层溶液的制备22
• 2.2.6 器件的制备与表征22
• 2.3 结果与讨论22-29
• 2.3.1 器件结构、能带及混合阴极界面层组成分析22-23
• 2.3.2 混合阴极界面层的光学分析23-25
• 2.3.3 混合阴极界面层的表面形貌分析25-26
• 2.3.4 混合阴极界面层的器件性能分析26-27
• 2.3.5 混合阴极界面层的热退火温度对器件性能影响27-28
• 2.3.6 混合阴极界面层的电荷传递分析28-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第三章 富勒烯酯基衍生物修饰的 ZnO 纳米薄膜作为界面层在反向有机太阳能电池器件中的应用30-42
• 3.1 前言30-31
• 3.2 实验部分31-32
• 3.2.1 主要原料及试剂31
• 3.2.2 实验表征仪器31
• 3.2.3 ZnO 纳米颗粒与 PyC_(60)溶液的制备31
• 3.2.4 器件的制备与表征31-32
• 3.3 结果与讨论32-41
• 3.3.1 器件结构与能级图32-33
• 3.3.2 不同阴极界面层的器件性能分析33-34
• 3.3.3 不同阴极界面层的电学特性分析34-35
• 3.3.4 不同阴极界面层的透过率及 EQE 曲线分析35-36
• 3.3.5 不同阴极界面层的表面形态分析36-37
• 3.3.6 双层界面层的表面电位和光致发光谱分析37-38
• 3.3.7 PyC_(60)膜厚对器件性能影响的分析38-40
• 3.3.8 器件稳定性分析40-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第四章 混合溶剂调节的 ZnO 纳米薄膜作为界面层在反向有机太阳能电池器件中的应用42-48
• 4.1 前言42
• 4.2 实验部分42-43
• 4.2.1 主要原料及试剂42
• 4.2.2 实验表征仪器42-43
• 4.2.3 器件的制备与表征43
• 4.3 结果与讨论43-47
• 4.3.1 器件结构与能级图43-44
• 4.3.2 不同溶剂比的 ZnO 界面层的器件性能分析44
• 4.3.3 不同溶剂比的 ZnO 纳米颗粒粒径分布分析44-46
• 4.3.4 不同溶剂比的 ZnO 薄膜的表面形态分析46-47
• 4.4 总结47-48
• 第五章 总结与展望48-50
• 5.1 总结48
• 5.2 展望48-50
• 参考文献50-58
• 致谢58-60
• 附录 A 硕士期间发表的论文60-62
• 附录 B62-63

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