基于有机—无机杂化的双层异质结、体异质结及有序纳米阵列异质结光伏器件的研究

【摘要】：针对目前人类社会日益增长的能源需求,以太阳能为代表的新能源领域的研究受到越来越多的关注和支持。无机半导体材料光伏器件由于其较高的光电转换效率成为目前市场的主体；有机聚合物光伏器件由于其生产成本低,制作工艺简单受到比较大的关注。有机无机杂化光伏器件可以结合有机材料和无机材料各自的优点,因此成为研究的热门。本论文主要围绕有机无机杂化光伏器件的制备及其机理进行研究,从有机无机杂化双层异质结、有机无机杂化混合本体异质结、有机无机杂化有序本体异质结几种不同的异质结结构器件出发,探讨了有机无机杂化光伏器件的制备及机理的一些关键问题。(1)采用非晶硅杂化聚合物聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(简称P3HT)双层结构作为有机无机杂化双层异质结的研究对象进行光伏性能的研究。1)采用射频辅助等离子化学气相沉积技术制备了本征非晶硅、P型非晶硅、N型非晶硅三种材料,并测定了吸收光谱、折射率、及光学禁带宽度等参数；2)将其制备在聚合物P3HT薄膜的表面,形成聚合物/非晶硅杂化结构；并通过光学显微镜分析以及红外光谱结构鉴定了其成膜质量；3)以聚合物/非晶硅杂化结构构建了双层异质结杂化光伏器件并对其展开实验研究。分别从无机有机不同物理机制对影响该类器件的开路电压、激子解离、短路电流等方面的机理进行了分析。(2)将炭黑纳米颗粒与聚合物P3HT进行杂化研究有机无机杂化混合本体异质结光伏器件性能。1)对两种不同的炭黑纳米材料的微观形貌、结晶结构进行了表征,并尝试采用表面活性剂来增加炭黑纳米颗粒的溶解分散性,从而制备杂化光伏器件；2)采用azomethine ylide反应对炭黑纳米颗粒进行了化学改性,成功地将长链烷基嫁接到纳米颗粒的表面,在没有改变其基本特性的前提下实现了纳米材料的增溶；3)将化学改性的炭黑纳米颗粒掺杂到聚合物：富勒烯本体异质结光伏器件中,使得活性层的空穴迁移率提高一个数量级,从而提高了器件的光电转化效率. 由此说明无机纳米颗粒对光伏器件性能的改善是有积极作用的。(3)研究了有序氧化钛纳米管阵列的制备方法,并与聚合物P3HT、盘状分子2,9,16,23-四叔丁基29H,31H-酞菁铜(简称tb-CuPc)、3,4,9,10-四取代茈甲酸四甲酯(简称tm-Peryleneate)进行杂化制备新型的有序结构杂化材料。1)采用两电极阳极氧化法系统地研究了氧化钛纳米管生长过程中各种因素的影响；2)选择合适尺寸的氧化钛纳米管,采用真空负压的方法将聚合物P3HT材料灌注到氧化钛纳米管中,以制备有序异质结杂化材料并制备了光伏器件,使得光电转化效率提高了32%；3)分别研究并制备了盘状有机分子四叔丁基酞菁铜(tb-CuPc)或四取代苝甲酸四甲酯(tm-Peryleneate)与氧化钛纳米管阵列杂化的新型材料并研究了微观形貌。发现有序氧化钛纳米管阵列的诱导,可以有效地改变盘状分子的取向状态,使之从在基片上的edge-on (planar)分子取向改变为face-on (homeotropic)取向。这是一种有效改变盘状分子取向的新方法。 【关键词】：有机无机杂化 光伏器件 非晶硅 炭黑纳米颗粒 盘状分子取向
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4;O631
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 杂化结构太阳能电池概述及研究进展14-30
• 1.1 引言14-15
• 1.2 有机无机杂化光伏器件概述15-21
• 1.2.1 光伏器件基本结构15-17
• 1.2.2 光伏器件基本工作原理17-19
• 1.2.3 光伏器件性能表征19-21
• 1.3 有机无机杂化器件材料21-23
• 1.3.1 有机聚合物材料21-22
• 1.3.2 无机纳米材料22-23
• 1.4 有机无机杂化光伏器件的发展及存在的问题23-27
• 1.4.1 双层结构光伏器件23-24
• 1.4.2 混合结构光伏器件24-26
• 1.4.3 有序结构光伏器件26-27
• 1.5 本文选题的意义及主要研究内容27-30
• 第二章 实验部分30-38
• 2.1 实验材料及来源30-31
• 2.2 杂化材料及薄膜表征31-34
• 2.2.1 红外吸收光谱31
• 2.2.2 紫外可见吸收光谱31-32
• 2.2.3 扫描电子显微镜32
• 2.2.4 透射电子显微镜32
• 2.2.5 X射线衍射32-33
• 2.2.6 光学显微镜33
• 2.2.7 膜厚测量33
• 2.2.8 差示扫描量热法33-34
• 2.2.9 椭偏仪34
• 2.2.10 循环伏安法34
• 2.3 器件制备方法34-36
• 2.3.1 等离子体增强化学气相沉积34-35
• 2.3.2 真空热蒸发35
• 2.3.3 射频磁控溅射35
• 2.3.4 旋转涂覆法35-36
• 2.4 器件测试设备36-38
• 2.4.1 半导体特性分析36
• 2.4.2 太阳光模拟器36-37
• 2.4.3 太阳能电池光谱响应测量系统37-38
• 第三章 非晶硅/聚合物杂化双层异质结光伏器件研究38-54
• 3.1 引言38-39
• 3.2 聚合物材料聚(3-己基噻吩)基本性质及表征39-41
• 3.2.1 聚(3-己基噻吩)光吸收性能39-40
• 3.2.2 聚(3-己基噻吩)热动力学过程测定40-41
• 3.3 非晶硅薄膜的制备与表征41-44
• 3.3.1 等离子化学气相沉积制备非晶硅41
• 3.3.2 非晶硅膜层光谱表征41-44
• 3.4 非晶硅与有机聚合物材料杂化膜层结构的制备及其稳定性44-46
• 3.4.1 杂化膜层红外光谱鉴定45
• 3.4.2 杂化膜层显微镜微观形貌45-46
• 3.5 非晶硅和聚(3-己基噻吩)杂化光伏器件46-52
• 3.5.1 非晶硅聚合物杂化光伏器件结构46-47
• 3.5.2 非晶硅聚合物杂化光伏器件I-V响应47-49
• 3.5.3 非晶硅聚合物杂化光伏器件光电流响应49-50
• 3.5.4 非晶硅聚合物杂化光伏器件物理机制50-52
• 3.6 本章小结52-54
• 第四章 炭黑纳米颗粒/聚合物杂化混合异质结光伏器件研究54-78
• 4.1 引言54
• 4.2 炭黑纳米颗粒材料表征54-58
• 4.2.1 炭黑纳米颗粒微观形貌表征54-56
• 4.2.2 炭黑纳米颗粒晶体结构表征56-58
• 4.3 表面活性剂增溶炭黑纳米颗粒及其杂化光伏器件响应初探58-65
• 4.3.1 炭黑纳米颗粒在不同溶剂中的溶解性探索58-59
• 4.3.2 炭黑纳米颗粒的表面活性剂增溶59
• 4.3.3 表面活性剂增溶alfa炭黑的光伏响应初探59-62
• 4.3.4 表面活性剂增溶C11炭黑光伏器件初探62-65
• 4.4 炭黑纳米颗粒接枝改性及其光伏器件的制备65-76
• 4.4.1 炭黑纳米颗粒的接枝改性65-67
• 4.4.2 改性炭黑纳米颗粒微观形貌及结晶形态67-70
• 4.4.3 改性炭黑纳米颗粒杂化材料的光伏响应初探70-76
• 4.5 本章小结76-78
• 第五章 杂化有序本体异质结光伏器件研究78-118
• 5.1 引言78
• 5.2 有序TiO_2纳米管阵列的制备78-99
• 5.2.1 金属钛膜的制备及表征78-80
• 5.2.2 电化学法制备氧化钛纳米管80-84
• 5.2.2.1 阳极氧化法制备氧化钛纳米管80-81
• 5.2.2.2 氧化钛纳米管的表征81-84
• 5.2.3 不同反应条件对氧化钛纳米管生长的影响84-98
• 5.2.3.1 反应时间对纳米管生长的影响84-87
• 5.2.3.2 电压对纳米管生长的影响87-90
• 5.2.3.3 搅拌速度对纳米管生长的影响90-95
• 5.2.3.4 温度对纳米管生长的影响95-98
• 5.2.4 小结98-99
• 5.3 聚(3-己基噻吩)与氧化钛纳米管的杂化99-104
• 5.3.1 聚(3-己基噻吩)与氧化钛纳米管杂化材料制备及检测99-102
• 5.3.2 聚(3-己基噻吩)与氧化钛纳米管杂化有序本体异质结光伏器件102-103
• 5.3.3 小结103-104
• 5.4 四叔丁基酞菁铜与氧化钛纳米管的杂化104-111
• 5.4.1 四叔丁基酞菁铜基本性质104-107
• 5.4.2 四叔丁基酞菁铜与普通钛膜杂化微观形貌107-109
• 5.4.3 四叔丁基酞菁铜与氧化钛纳米管阵列杂化的微观形貌109-111
• 5.4.4 小结111
• 5.5 四取代花甲酸四甲酯与氧化钛纳米管的杂化111-116
• 5.5.1 四取代花甲酸四甲酯基本性质111-114
• 5.5.2 四取代苝甲酸四甲酯与普通钛膜杂化微观形貌114-115
• 5.5.3 四取代花甲酸四甲酯与氧化钛纳米管阵列杂化微观形貌115-116
• 5.5.4 小结116
• 5.6 本章小结116-118
• 第六章 结论118-121
• 参考文献121-136
• 作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果136-140
• 学位论文数据集140

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