有机—硅纳米结构光伏电池的光电性质及界面研究

【摘要】：在本论文中，本课题通过使用不同表面形貌的硅纳米结构和共轭导电聚合物聚3,4二氧乙烯噻吩：聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS），利用溶液加工的方法制备杂化肖特基异质结太阳能电池，对其性能进行了表征并研究电荷传输机制。通过对硅纳米结构的表面结构优化，最大程度降低了硅纳米线的表面积，同时还保证了足够的光吸收能力与较低的表面复合速率，并减少了表面的缺陷态密度，而这些都有利于制备高效率的太阳能电池。经过这些处理之后，本课题制备了基于硅-PEDOT:PSS有机无机杂化异质结太阳能电池，最高效率实现了13.6%。本课题利用带有积分球的反射光谱仪、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、少子寿命测试仪、电感耦合等离子体质谱仪、瞬态光电压（光电流）衰减测试和器件性能模拟等方法对硅杂化太阳能电池的器件性能、传输机制以及不同硅材料的表面形貌、柔性硅基底和不同材料对电池表面的修饰进行了系统的表征和研究。主要工作包括： 1.研究了硅-PEDOT:PSS杂化光伏器件的界面性质，并通过硅表面的界面缺陷态密度来表征其电荷分离与传输能力。界面缺陷态密度受到器件中硅材料的表面形貌所影响，经过甲基化处理过的硅纳米线杂化异质结器件要比未被甲基化处理过的硅纳米线杂化异质结器件以及平面甲基化硅杂化异质结器件的效率要高，这是由于经过甲基化处理的硅纳米线杂化异质结器件的缺陷态密度低至~1012cm-2eV-1，这比传统的金属-硅肖特基结的太阳能电池的缺陷态密度（1013-1014cm-2eV-1）低1到2个数量级，证明了低缺陷态密度是器件性能提高的原因之一。 2.发展了一种制备高效硅-PEDOT:PSS杂化光伏器件，可以有效降低器件的串联电阻和增加并联电阻，研究了串联电阻与并联电阻的调控对器件性能的影响。通过选择合适的硅材料基底尺寸以及运用物理切割方法，可以对串联电阻和并联电阻做出调整，这样使得器件可以更有效地输出功率，器件的性能能够得到极大的提高。这种方法能够有效显著提升有机硅杂化肖特基异质结太阳能电池的性能。 3.利用太阳能冶金级硅基底制备了一种可以使用低温溶液方法制备杂化肖特基异质结器件。金属辅助化学刻蚀法工艺能部分地提升硅片表面处的质量来抑制界面处的肖克莱-里德-霍尔复合（Shockley-Read-Hall，SRH复合），与此同时纳米结构的硅片基底能够有效地弥补较薄的硅基底吸光不足的缺点，并且提高光吸收能力，改善器件的性能，同时能减轻对高纯硅材料的依赖。本课题制备了太阳能冶金级硅/PEDOT:PSS杂化肖特基异质结器件，并获得了目前基于冶金级硅材料的最高12.0%的效率。 4.将超薄（~14m）柔性硅纳米结构经过简便的表面形貌修饰后本课题制备了效率高达9.1%的有机硅杂化异质结太阳能电池。为了补偿超薄硅片基底引起的对光吸收不足的缺点，本课题通过金属辅助化学刻蚀法在超薄柔性硅基底上制备了硅纳米线结构，与平面硅相比，其光吸收能力提高了约1.6倍。本课题制备了基于超薄高效柔性硅纳米结构的有机无机杂化异质结太阳能电池。 5.通过加入空穴阻挡层ZnMgO纳米晶薄膜，利用低温溶液法制备了效率高达13.6%的硅/PEDOT:PSS有机无机杂化异质结太阳能电池。本课题通过加入空穴阻挡层ZnMgO纳米晶薄膜，在硅片基底的背部旋涂形成有效的空穴阻挡层，不仅阻止了空穴向阴极扩散，同时还改善了背部金属电极与硅衬底直接接触造成的载流子复合问题，抑制界面处的电荷复合损失，提高了电荷的传输能力和器件效率。 【关键词】：硅纳米线 柔性硅 太阳能冶金级硅 瞬态光电压衰减 肖特基异质结 有机无机杂化 太阳能电池 缺陷态 电荷复合 PEDOT:PSS
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-13
• 第一章 引言13-45
• 1.1 概述13-14
• 1.2 太阳能电池基础14-17
• 1.3 太阳能电池的种类17-26
• 1.3.1 传统硅太阳能电池17-21
• 1.3.2 化合物太阳能电池21-22
• 1.3.3 染料敏化薄膜太阳能电池22-24
• 1.3.4 非硅有机无机杂化太阳能电池24-26
• 1.4 硅纳米结构在光伏电池中的应用26-31
• 1.4.1 无机-无机硅纳米太阳能电池28-30
• 1.4.2 有机-无机硅纳米太阳能电池30-31
• 1.5 选题依据与研究思路31-32
• 参考文献32-45
• 第二章 硅-PEDOT:PSS 杂化肖特基异质结器件的界面表征45-61
• 2.1 引言45-46
• 2.2 实验部分46-48
• 2.2.1 原料与试剂46
• 2.2.2 实验仪器46
• 2.2.3 实验步骤46-48
• 2.3 结果与讨论48-57
• 2.3.1 PEDOT:PSS 的光学性质48-49
• 2.3.2 硅-PEDOT:PSS 杂化肖特基异质结器件性能表征49-50
• 2.3.3 不同表面形貌的硅-PEDOT:PSS 杂化光伏器件50-57
• 2.4 总结57
• 参考文献57-61
• 第三章 串并联电阻的调控对硅杂化光伏器件性能影响61-76
• 3.1 引言61-62
• 3.2 实验部分62-63
• 3.2.1 原料与试剂62
• 3.2.2 实验仪器62
• 3.2.3 实验步骤62-63
• 3.3 结果与讨论63-72
• 3.3.1 器件尺寸调整63
• 3.3.2 平面硅/PEDOT:PSS 有机无机杂化异质结太阳能电池性能表征63-66
• 3.3.3 器件的内建电势的拟合与分析66-67
• 3.3.4 串联电阻与并联电阻对填充因子的影响67-69
• 3.3.5 环境对器件稳定性的影响69-70
• 3.3.6 模拟研究串联电阻与并联电阻对器件性能的影响70-71
• 3.3.7 物理切割法的可重复性研究71-72
• 3.4 总结72
• 参考文献72-76
• 第四章 基于太阳能冶金级硅的有机无机异质结器件及其表征76-100
• 4.1 引言76-77
• 4.2 实验部分77-79
• 4.2.1 原料与试剂77
• 4.2.2 实验仪器77-78
• 4.2.3 实验步骤78-79
• 4.3 结果与讨论79-94
• 4.3.1 太阳能冶金级硅片基底厚度的调控79-82
• 4.3.2 太阳能冶金级硅表面形貌修饰82-85
• 4.3.3 太阳能冶金级硅/PEDOT:PSS 杂化肖特基异质结器件电荷复合机制85-87
• 4.3.4 少数载流子寿命测量与表征87-88
• 4.3.5 太阳能冶金级硅/PEDOT:PSS 杂化肖特基异质结器件性能表征88-90
• 4.3.6 时间分辨瞬态光电压衰减测试90-92
• 4.3.7 高温热扩散工艺对太阳能冶金级硅的影响92-93
• 4.3.8 模拟研究表面复合速度对器件性能的影响93-94
• 4.4 总结94-95
• 参考文献95-100
• 第五章 超薄柔性有机无机杂化硅太阳能电池制备及其界面修饰100-121
• 5.1 引言100-101
• 5.2 实验部分101-103
• 5.2.1 原料与试剂101-102
• 5.2.2 实验仪器102
• 5.2.3 实验步骤102-103
• 5.3 结果与讨论103-117
• 5.3.1 超薄柔性硅片基底厚度的调控103-106
• 5.3.2 超薄柔性硅表面形貌修饰106-108
• 5.3.3 超薄柔性硅/PEDOT:PSS 杂化肖特基异质结器件载流子输运机制108-109
• 5.3.4 少数载流子寿命的测量与表征109-110
• 5.3.5 超薄柔性硅/PEDOT:PSS 有机无机杂化异质结太阳能电池性能表 征110-113
• 5.3.6 时间分辨瞬态光电压衰减测试113-115
• 5.3.7 模拟研究硅片厚度对器件性能的影响115-117
• 5.4 总结117
• 参考文献117-121
• 第六章 空穴阻挡层 ZnMgO 纳米晶薄膜对硅-PEDOT:PSS 杂化肖特基异质结器件的影响121-138
• 6.1 引言121-123
• 6.2 实验部分123-124
• 6.2.1 原料与试剂123
• 6.2.2 实验仪器123
• 6.2.3 实验步骤123-124
• 6.3 结果与讨论124-132
• 6.3.1 空穴阻挡层 ZnMgO 纳米晶薄膜的制备124-125
• 6.3.2 ZnMgO 纳米晶薄膜对电池电荷传输机制的影响125-126
• 6.3.3 少数载流子寿命测量与表征126-127
• 6.3.4 硅-PEDOT:PSS 有机无机杂化异质结太阳能电池性能表征127-130
• 6.3.5 时间分辨瞬态光电压衰减测试130-132
• 6.4 总结132
• 参考文献132-138
• 第七章 总结与展望138-143
• 7.1 全文总结138-140
• 7.2 本论文的主要创新点140-141
• 7.3 存在问题与展望141-143
• 攻读学位期间公开发表的学术论文与其他学术成果143-146
• 附录146-148
• 致谢148-149

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