氧化锌纳米颗粒在有机太阳能电池中应用的研究

【摘要】：有机太阳能电池以其成本低、无毒、容易制备、易于实现柔性器件等特点备受人们关注。研究发现,利用无机氧化物材料作为电子传输层以及阴极修饰层,能够提高器件的稳定性。其中ZnO纳米材料具有高载流子迁移率,与活性层材料存在较好的能级匹配,制备成本低,制备方法简单等优点而成为近年来的研究热点。 但是,ZnO纳米材料比表面积大,表面缺陷密度高。而缺陷可能会影响载流子的传输及复合等,从而对有机太阳能电池器件的光电转化过程产生不利影响。本文重点研究了ZnO纳米材料的缺陷对太阳能电池(ITO/ZnO/P3HT:PCBM/MoO3/Ag)性能的影响,内容如下： 第一：通过对ZnO纳米颗粒薄膜不同温度(80℃,120℃,150℃,200℃)的热处理,研究ZnO表面态羟基对电池性能的影响。实验结果发现随着热处理温度升高,ZnO表面OH-解离增加。解离后的ZnO表面光催化能力减弱,从而降低了对活性层的降解,提高了器件的光电转化效率及寿命。而过高的退火温度(200℃)会导致ZnO纳米颗粒薄膜与ITO玻璃的接触势垒变大,阻碍了电子的收集,降低了光伏器件的光电性能。 第二：通过控制合成ZnO的温度(0℃,30℃,60℃)来控制ZnO纳米材料的尺寸,研究了尺寸变化对表面缺陷密度的影响。实验结果发现随着反应温度升高,ZnO纳米颗粒粒径变大,颗粒的缺陷密度在不断下降。因此,反应温度越高,ZnO纳米颗粒表面的缺陷数量越少,捕获电子的陷阱数量越低,从而有利于电子有效的导出,器件的光电转化效率大大提高。 第三：改变反应物中醋酸锌((CH3COO)2Zn·2H2O)和氢氧化锂(LiOH)的浓度比例(1：1,1：2,1：3.5),控制ZnO纳米颗粒的缺陷类型。实验结果发现碱浓度较高时([Zn2+/Li-]浓度比例为1：3.5),ZnO纳米颗粒中主要为氧填隙(Oi)浅能级受主缺陷,碱浓度较低时,主要为氧空位(Vo)深能级施主缺陷。通过实验证明浅能级受主缺陷,能够直接捕获电子；而深能级施主缺陷只有电离后才会捕获由活性层产生的电子,且深能级杂质的电离能非常大,所以捕获电子的能力较弱。因此,在[Zn2+/Li-]浓度比例为1：2时得到的光电转化效率最高,为1.94%。 【关键词】：ZnO纳米颗粒 缺陷 倒置太阳能电池 光电转化效率
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-23
• 1.1 引言10
• 1.2 有机太阳能电池基本理论10-12
• 1.2.1 有机太阳能电池工作机理10
• 1.2.2 有机太阳能电池中的重要参数10-11
• 1.2.3 倒置结构的太阳能电池11-12
• 1.3 ZnO纳米材料的缺陷12-16
• 1.3.1 ZnO缺陷的机理12-14
• 1.3.2 ZnO纳米材料的氧缺陷14-15
• 1.3.3 ZnO中其他缺陷15-16
• 1.4 ZnO在有机太阳能电池中的运用16-22
• 1.4.1 ZnO/有机混合物太阳能电池16-18
• 1.4.2 ZnO作为缓冲层在太阳能电池中的应用18-21
• 1.4.3 用ZnO作电极21-22
• 1.5 本论文研究的意义22-23
• 第二章 实验药品与实验设备23-26
• 2.1 实验药品23
• 2.2 实验设备23-24
• 2.3 表征方法24-26
• 第三章 ZnO表面羟基对电池性能的影响26-37
• 3.1 引言26
• 3.2 实验过程26-28
• 3.2.1 ITO正电极的制备27
• 3.2.2 ZnO纳米材料的制备27
• 3.2.3 活性层的的制备27-28
• 3.2.4 MoO_3阳极缓冲层和Ag电极的蒸镀28
• 3.3 热处理温度对器件的影响28-35
• 3.3.1 热处理温度的选择28-29
• 3.3.2 ZnO薄膜表面性能分析29-32
• 3.3.3 ZnO光催化性能对电池活性层的影响32-34
• 3.3.4 不同退火温度下ZnO纳米材料在电池中的应用34-35
• 3.4 本章小结35-37
• 第四章 ZnO纳米颗粒尺寸对电池性能的影响37-45
• 4.1 引言37
• 4.2 实验过程37
• 4.3 不同温度下的ZnO在电池中的应用37-44
• 4.3.1 不同温度下的ZnO对电池性能影响37-39
• 4.3.2 不同温度下ZnO薄膜的性能39-40
• 4.3.3 ZnO纳米颗粒的形貌及光学特性40-43
• 4.3.4 器件中电子转移机制43-44
• 4.4 本章小结44-45
• 第五章 ZnO缺陷类型对电池性能的影响45-53
• 5.1 引言45
• 5.2 实验部分45
• 5.3 反应物比例对倒置结构太阳能电池的影响45-52
• 5.3.1 研究不同反应物比例的意义45-46
• 5.3.2 ZnO纳米颗粒的结构特性46
• 5.3.3 ZnO纳米颗粒薄膜特性46-47
• 5.3.4 ZnO纳米颗粒的光学特性47-50
• 5.3.5 [Zn~(2+)/Li~-]不同比例下的ZnO在电池中的应用50-52
• 5.4 小结52-53
• 第六章 全文总结及工作展望53-55
• 6.1 全文总结53
• 6.2 展望53-55
• 参考文献55-60
• 发表论文和科研情况说明60-61
• 致谢61

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