纳米ZnO基有机/无机复合光伏器件研究

【摘要】：ZnO是一种宽禁带直接带隙的半导体材料,在紫外发光与激光、探测器和太阳能电池等很多方面都具有非常广泛的应用。并且与其它材料相比,ZnO具有多种一维纳米结构,这些纳米结构具有较大的比表面积,并且是单晶结构,从而成为制备新型纳米光电器件的构筑单元。本论文就是利用ZnO一维纳米结构的这些特点,设计并制备了有机/无机复合结构光伏器件。并通过在界面处引入CdS和PbS量子点,有效的提高了太阳能电池的效率。论文工作中取得的主要结果如下: 1.采用电化学沉积的方法生长了ZnO纳米棒阵列,并通过对籽晶层、反应时间和反应溶液的浓度等参数的调节,初步实现了ZnO纳米棒密度、尺寸和长径比的可控生长。 2.采用电化学沉积方法制备的ZnO纳米棒和聚乙烯咔唑(PVK)成功的制备了具有类p-n结结构的ZnO/PVK复合紫外探测器,并利用ITO,ZnO和PVK特定的吸收位置获得了具有高选择性的紫外响应。这种探测器的响应峰值位于365 nm,响应度可达110 mA/W,响应峰半高宽仅为26 nm。 3.在带有ZnO籽晶层的ITO玻璃上,用电化学沉积的方法生长ZnO纳米棒,与聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯撑乙烯撑](MEH-PPV)成功制备了类p-n结结构的有机/无机复合的太阳能电池器件。通过采用化学浴方法在有机无机界面处引入不同的CdS量子点,显著提高了太阳能电池器件的效率。其中六次生长的CdS量子点的电池效率可达到0.65%,是未经敏化电池效率的6.5倍。并发现随着CdS量的增加,电池的效率是先增加后减小,在利用生长六次的CdS量子点进行敏化的电池效率达到了最大值。 4.通过引入带隙更窄、吸收范围更宽的PbS量子点作为敏化层,利用ZnO纳米棒和MEH-PPV制备了有机/无机复合的太阳能电池器件。其中利用生长四次的PbS量子点进行敏化的电池效率可达到0.42%,是未经敏化电池效率的四倍多。并发现由于PbS量子点之间的导电性不好,很大程度限制了光生载流子的传输,器件的短路电流的较低,导致PbS量子点敏化的太阳能电池的转换效率并不高。 【关键词】：纳米结构 氧化锌 有机/无机复合 紫外探测器 高选择性 太阳能电池 量子点敏化 能量转换效率
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TN36;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-29
• 1.1 能源危机11-12
• 1.2 太阳能电池12-15
• 1.2.1 硅基太阳能电池12-13
• 1.2.2 薄膜型无机化合物太阳能电池13-14
• 1.2.3 有机太阳能电池14-15
• 1.2.4 染料敏化太阳能电池15
• 1.3 紫外探测器15-17
• 1.4 纳米氧化锌材料的基本性质、生长方法及应用17-23
• 1.4.1 纳米ZnO 材料的基本性质17-19
• 1.4.2 纳米ZnO 材料的生长方法19-21
• 1.4.3 纳米ZnO 材料的应用21-23
• 1.4.3.1 紫外探测器件21
• 1.4.3.2 光电器件的单片集成21
• 1.4.3.3 与氮化镓互作缓冲层21-22
• 1.4.3.4 太阳能电池22-23
• 1.5 硫化镉和硫化铅量子点在太阳能电池中的作用及合成方法23-25
• 1.6 有机无机复合光伏器件25-26
• 1.7 课题的提出26-29
• 第2章 纳米结构的性能表征和太阳能电池及探测器的性能表征29-51
• 2.1 纳米结构常用的性能表征方法29-38
• 2.1.1 X 射线衍射 (XRD)29-31
• 2.1.2 扫描电子显微镜(SEM)31-33
• 2.1.3 透射电子显微镜(TEM)33-36
• 2.1.4 微区光致发光测试( PL 谱测试)36-37
• 2.1.5 吸收和透射光谱37-38
• 2.2 太阳能电池的基本原理与主要性能参数38-46
• 2.2.1 光伏效应38-40
• 2.2.2 Air Mass (AM) 概念40-42
• 2.2.3 太阳能电池的基本原理与主要参数42-46
• 2.3 紫外探测器的主要参数46-51
• 2.3.1 量子效率η47
• 2.3.2 响应度R47-48
• 2.3.3 光谱响应48-51
• 第3章 氧化锌纳米结构的可控生长51-63
• 3.1 氧化锌籽晶薄膜对电化学沉积氧化锌纳米棒的影响51-57
• 3.1.1 在ITO 玻璃上利用电化学沉积方法直接生长的ZnO 纳米棒51-55
• 3.1.2 采用ZnO 籽晶层化学沉积生长的ZnO 纳米棒55-57
• 3.2 不同反应时间和不同溶液浓度对电化学沉积氧化锌纳米棒的影响57-62
• 3.3 本章小结62-63
• 第4章 具有高选择性的纳米氧化锌基复合紫外探测器63-73
• 4.1 样品的制备63-65
• 4.1.1 ZnO 纳米棒的制备63-64
• 4.1.2 有机层的旋涂64-65
• 4.1.3 金属电极的蒸镀65
• 4.2 纳米氧化锌基紫外探测器性能测试65-72
• 4.2.1 ZnO/PVK 复合结构的PL 谱测试与PL 发光寿命测试65-68
• 4.2.2 ZnO/PVK 复合紫外探测器的I-V 曲线测试68
• 4.2.3 ZnO/PVK 复合紫外探测器的响应曲线测试68-72
• 4.3 本章小结72-73
• 第5章 硫化镉量子点敏化的纳米氧化锌基复合太阳能电池73-89
• 5.1 样品的制备73-82
• 5.1.1 ZnO 纳米棒的制备73-74
• 5.1.2 CdS 量子点的生长74-81
• 5.1.3 有机层的旋涂81-82
• 5.1.4 金属电极的蒸镀82
• 5.2 硫化镉量子点敏化的纳米氧化锌基复合太阳能电池的性能表征82-88
• 5.2.1 太阳能电池器件的I-V 曲线测试83-86
• 5.2.2 太阳能电池器件的IPCE 谱86-88
• 5.3 本章小结88-89
• 第6章 硫化铅量子点敏化的纳米氧化锌基复合太阳能电池89-101
• 6.1 样品的制备89-96
• 6.1.1 ZnO 纳米棒的制备89-90
• 6.1.2 PbS 量子点的生长90-96
• 6.1.3 有机层的旋涂96
• 6.1.4 金属电极的蒸镀96
• 6.2 硫化铅量子点敏化的纳米氧化锌基复合太阳能电池的性能表征96-100
• 6.3 本章小结100-101
• 第7章 结论101-103
• 参考文献103-111
• 在学期间学术成果情况111-112
• 指导教师及作者简介112-113
• 致谢113

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