基于硅纳米线阵列的有机/无机杂化光伏电池的制备及性能表征研究

【摘要】：太阳能因其清洁，无污染，可再生等独特优势受到人们的广泛关注与青睐。太阳能电池（也称光伏电池）作为利用太阳能的主要手段之一，在过去几十年内得到很大的发展。目前市场上销售的光伏电池主要是单晶或多晶硅光伏电池，其高昂的发电成本限制了电池的广泛使用。为降低硅光伏电池的成本,本文从两个方面对电池进行改性：第一，硅纳米阵列结构代替平面硅，硅纳米阵优异的光学和电学性能可降低电池中硅原料所需的厚度和纯度；第二，将有机/无机材料进行复合，制备杂化硅光伏电池，利用共轭分子可溶液制备的特性，简化硅光伏电池的制备过程。基于以上研究思想，本课题采用简单的溶液刻蚀法制备硅纳米线阵列，并对其表面进行钝化处理，在此基础上制备了一系列硅纳米结构/共轭分子光伏电池，其主要研究工作如下： 1、以离子液体作为电解液，制备准固态的硅/离子液体光电化学光伏器件，并研究了不同表面修饰的硅电极对器件性能的影响。经过优化，该光伏器件的转化效率已达到6%。硅表面的X射线光电子能谱与器件的稳定性测试表明，该方法制备的光伏器件的稳定性明显优于传统的以水或有机溶剂为电解液的光伏器件。 2、将一种共轭小分子（Spiro-OmetaD）引入硅电池中，溶液法制备了全固态硅/共轭分子异质结光伏电池。通过比较核-壳径向异质结结构器件的性能与嵌入式以及平面结构异质结器件的性能，阐述了核-壳形成的径向异质结在器件中的独特的优势。经过优化，该光伏器件的转化效率可达9.7%，为同时期所报道的硅杂化光伏电池的最高转化效率。 3、基于硅/共轭高分子（PEDOT:PSS）肖特基光伏器件的制备及性能表征，研究出当前硅/PEDOT:PSS肖特基光伏器件性能不稳定的因素。在此基础上通过原子力显微镜对PEDOT:PSS形貌、电势进行表征，测试硅/PEDOT:PSS肖特基电池的电流密度-电压曲线、电容-电压曲线、瞬态衰减电压测试曲线，研究了PEDOT:PSS对该类电池性能的影响。 4、摸索出重现性较高硅/PEDOT:PSS肖特基光伏器件的制备条件，在该条件下器件的转换效率可稳定在~9%。对电池进行简单的理论模拟，研究PEDOT:PSS的功函对电池性能的影响。将Pt、TiC等颗粒引入PEDOT:PSS溶液中，对PEDOT:PSS膜进行掺杂，实验结果显示，掺杂后电池的性能得到明显的改善，电池的转换效率可提高14%，达到10.35%左右。 【关键词】：硅纳米线阵列 离子液体 共轭分子 有机-无机 杂化光伏电池
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TB383.1;TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• 第1章 前言11-33
• 1.1 概述11-12
• 1.2 太阳能电池的基础知识12-14
• 1.2.1 太阳能电池的原理12
• 1.2.2 太阳能电池的性能参数12-14
• 1.3 太阳能电池的发展14-15
• 1.4 传统硅太阳能电池15-17
• 1.4.1 单晶硅太阳能电池15-16
• 1.4.2 非晶硅薄膜太阳能电池16-17
• 1.4.3 多晶硅薄膜太阳能电池17
• 1.5 有机太阳能电池17-19
• 1.6 有机-无机杂化太阳能电池19-20
• 1.7 新型硅纳米阵列结构太阳能电池20-22
• 1.8 选题依据与研究内容22-24
• 参考文献24-33
• 第2章 基于硅纳米线阵列/离子液体的光电化学太阳能电池33-54
• 2.1 引言33-34
• 2.2 实验部分34-36
• 2.2.1 实验试剂34-35
• 2.2.2 实验仪器35
• 2.2.3 实验步骤35-36
• 2.3 结果与讨论36-48
• 2.3.1 硅表面的 XPS 测试36-38
• 2.3.2 不同硅电极对电池性能的影响38-40
• 2.3.3 Pt 颗粒修饰硅纳米线阵列对电池性能的影响40-42
• 2.3.4 不同光强下电池的光伏输出特性42-43
• 2.3.5 电池的稳定性43-44
• 2.3.6 离子液体在硅线阵列中的填充程度对电池性能的影响44-46
• 2.3.7 费米能级钉扎现象46-48
• 2.4 小结48-49
• 参考文献49-54
• 第3章 基于硅纳米线阵列/Spiro-OmetaD 的太阳能电池54-84
• 3.1 引言54-56
• 3.2 实验部分56-58
• 3.2.1 实验试剂56-57
• 3.2.2 实验仪器57
• 3.2.3 实验步骤57-58
• 3.3 结果与讨论58-78
• 3.3.1 基于透明金属电极制备的小面积太阳能电池58-68
• 3.3.2 基于栅电极制备的大面积核壳结构太阳能电池68-73
• 3.3.3 平面硅与硅纳米线阵列电池性能的比较73-76
• 3.3.4 表面处理对电池性能的影响76
• 3.3.5 器件性能的重现性76-77
• 3.3.6 磁控溅射 ITO 制备硅纳米线阵列电池77-78
• 3.4 小结78-79
• 参考文献79-84
• 第4章 PEDOT:PSS 对硅/PEDOT:PSS 光伏电池性能的影响及研究84-105
• 4.1 引言84-85
• 4.2 实验部分85-87
• 4.2.1 实验试剂85
• 4.2.2 实验仪器85-86
• 4.2.3 实验步骤86-87
• 4.3 结果与讨论87-100
• 4.3.1 自然氧化硅表面制备的平面硅/PEDOT:PSS 太阳能电池87-91
• 4.3.2 甲基化硅表面制备的硅/PEDOT:PSS 太阳能电池91-92
• 4.3.3 PEDOT:PSS 对电池性能的影响92-100
• 4.4 本章总结100-101
• 参考文献101-105
• 第5章 硅/PEDOT:PSS 太阳能电池稳定性的研究及改性105-128
• 5.1 引言105-106
• 5.2 实验部分106-107
• 5.2.1 实验试剂106
• 5.2.2 实验仪器106
• 5.2.3 实验步骤106-107
• 5.3 结果与讨论107-123
• 5.3.1 平面硅/PEDOT:PSS 电池的稳定性研究107-112
• 5.3.2 提高 PEDOT:PSS 膜导电率对电池性能的影响112-113
• 5.3.3 DMSO 含量对硅/PEDOT:PSS 电池性能的影响113-115
• 5.3.4 理论模拟 PEDOT:PSS 功函对电池性能的影响115-116
• 5.3.5 Pt 颗粒掺杂 PEDOT:PSS 膜，对电池性能的影响116-120
• 5.3.6 TiC 纳米颗粒掺杂 PEDOT:PSS 膜对电池性能的影响120-121
• 5.3.7 硅纳米线阵列/PEDOT:PSS 太阳能电池的性能121-122
• 5.3.8 不同电阻率的硅对硅/PEDOT:PSS 电池性能的影响122-123
• 5.4 小结123-124
• 参考文献124-128
• 第6章 总结与展望128-132
• 6.1 全文总结128-129
• 6.2 本文的主要创新点129-130
• 6.3 存在问题与展望130-132
• 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文132-133
• 参加学术会议133-134
• 致谢134-135

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