Cr-TiO_2/P3HT异质结太阳能电池的制备及其光伏特性研究

【摘要】：无机半导体-有机聚合物太阳能电池是一类以无机半导体和有机共轭聚合物复合体系作为光活性层的太阳能光伏器件。且因其具有材料来源广泛、可设计性强、制备工艺简单、可大面积成膜和柔性加工等优点而成为近年来人们非常关注的热点研究领域之一。二氧化钛(TiO_2)，作为该类电池最常采用的宽带隙无机半导体材料，如何拓宽其可见光谱响应范围与响应能力，进而提高光伏器件的光吸收效率是该领域的一个重要研究方向。本学位论文以此为切入点，以TiO_2/P3HT异质结太阳能电池为研究对象，在简要综述了改性TiO_2最新研究进展的基础上，系统总结了笔者在攻读硕士学位期间，选择采用金属阳离子(Cr~(3+))为掺杂剂，尝试通过优化Cr~(3+)掺杂浓度与光活性层结构参数等措施来提高聚合物太阳能电池光电转换效率的系列研究工作。论文所述及的研究内容和主要研究结果包括以下两个方面： 1.采用溶胶-凝胶法，成功制备出了Cr~(3+)掺杂TiO_2(Cr-TiO_2)纳米薄膜。利用SEM、XRD、XPS、紫外-可见分光光度计等表征手段，深入研究了样品的形貌结构、物相、组成以及光学特性。研究发现Cr~(3+)掺杂量对薄膜的晶相结构及光吸收特性均有较大影响；基于系列不同掺杂量的Cr-TiO_2纳米薄膜，组装并研究了FTO/Cr-TiO_2/P3HT/Cu异质结聚合物太阳能电池的光电转换特性。结果表明，Cr~(3+)掺杂不仅有利于增加电池的短路电流密度和填充因子，而且能够通过掺杂量对电池的开路电压进行大范围调控(0.42至0.99V)，使电池效率(0.65%)较未掺杂时(0.07%)提高近9倍。这归因于Cr~(3+)掺杂不仅能够扩展TiO_2的光吸收范围，而且能够提升TiO_2的费米能级。 2.采用溶胶-凝胶法，利用聚乙二醇2000(PEG2000)，成功制备了多孔结构的Cr-TiO_2纳米薄膜，并实现了PEG2000含量对Cr-TiO_2薄膜多孔结构及其光透射特性的有效调制；对基于该多孔Cr-TiO_2纳米薄膜组装的FTO/Cr-TiO_2/P3HT/Cu异质结光伏特性的研究结果表明，随PEG2000含量的增加，Cr-TiO_2薄膜微孔孔径及分布密度的增大，该结构使得FTO/Cr-TiO_2/P3HT/Cu异质结光伏器件的短路电流密度从2.03提高到了3.09mA cm-2，其光电转换效率也从0.68%增加到了0.86%。 【关键词】：聚合物异质结太阳能电池 Cr~(3+)掺杂 TiO_2纳米薄膜 光伏特性
【学位授予单位】：西北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 第一章 序言11-33
• 1.1 聚合物太阳能电池简介11-22
• 1.1.1 聚合物太阳能电池的基本工作原理12-15
• 1.1.2 聚合物太阳能电池的等效电路及主要性能参数15-19
• 1.1.3 聚合物太阳能电池的结构演化19-21
• 1.1.4 聚合物太阳能电池的分类21-22
• 1.2 TiO_2有机-无机聚合物太阳能电池的研究进展22-25
• 1.3 本论文的选题背景及研究意义25-26
• 参考文献26-33
• 第二章 Cr 掺杂量对 TiO_2/P3HT 异质结太阳能电池光伏特性影响的研究33-45
• 2.1 Cr-TiO_2纳米薄膜的制备及表征34-37
• 2.1.1 Cr-TiO_2溶胶的制备34
• 2.1.2 Cr-TiO_2纳米薄膜的制备34
• 2.1.3 Cr-TiO_2纳米薄膜的表征34-35
• 2.1.4 Cr-TiO_2纳米薄膜的物相研究35-36
• 2.1.5 Cr-TiO_2纳米薄膜的 X 射线电子能谱分析36-37
• 2.2 Cu/Cr-TiO_2/P3HT/FTO/Glass 异质结太阳能电池的光伏特性研究37-42
• 2.2.1 Cu/Cr-TiO_2/P3HT/FTO/Glass 异质结太阳能电池的组装37
• 2.2.2 样品的表征与光伏性能测试37-38
• 2.2.3 不同 Cr 含量掺杂的 TiO_2/P3HT 异质结太阳能电池的光伏特性38-42
• 2.3 本章小结42-44
• 参考文献44-45
• 第三章 多孔 Cr-TiO_2/P3HT 异质结薄膜的制备及光伏特性研究45-52
• 3.1 多孔 Cr-TiO_2纳米薄膜的制备及表征45-47
• 3.1.1 多孔 Cr-TiO_2纳米薄膜的制备45-46
• 3.1.2 多孔 Cr-TiO_2纳米薄膜的表征46
• 3.1.3 多孔 Cr-TiO_2纳米薄膜的表面形貌46-47
• 3.1.4 多孔 Cr-TiO_2纳米薄膜的紫外-可见光谱分析47
• 3.2 多孔 Cr-TiO_2的 Cu/Cr-TiO_2/P3HT/FTO/Glass 光伏特性研究47-50
• 3.2.1 多孔 Cu/Cr-TiO_2/P3HT/FTO/Glass 异质结太阳能电池的组装47-48
• 3.2.2 样品的光伏性能测试48
• 3.2.3 多孔 Cr-TiO_2/P3HT 异质结太阳能电池的光伏特性48-50
• 3.3 本章小结50-51
• 参考文献51-52
• 第四章 总结与展望52-54
• 附录 攻读硕士期间发表和提交的论文54-55
• 致谢55

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