基于硅纳米柱阵列的杂化太阳能电池研究

【摘要】：太阳能作为一种可永续利用的清洁能源,有着巨大的应用潜力,而在对太阳能的有效利用中,光伏发电技术(Photovoltaic)是发展最快的领域。在目前的光伏市场上,以晶硅制备的第一代太阳电池仍然是主流,然而其高昂的发电成本制约了此类电池的广泛应用。为了降低光伏电池的成本,本工作开展了两方面的改进:首先是研究具有低成本、高性能,可折叠,生产工艺便捷等一系列特征的有机光伏(Organic Photovoltaic,OPV)器件;其次是通过制备硅纳米结构代替平面硅,提升器件的光学和电学性能,并且将有机/无机材料相结合制备基于硅纳米结构的杂化太阳电池器件。基于以上研究思路,本课题一方面采用简单的真空蒸镀和旋涂等方法,制备了有机太阳能电池器件;另一方面运用低成本的纳米球刻蚀技术制备尺寸可控的硅纳米柱阵列,并在此基础上制备了硅纳米柱/聚合物杂化太阳能电池器件,主要内容分为以下三个部分:(1)以zinc phthalocyanine(Zn Pc)/fullerene(C60)有机小分子材料作为太阳能电池活性层,通过在受体(Acceptor)与阴极(Cathode)之间插入阴极缓冲层(Cathode Buffer Layer,CBL)来改善有机太阳能电池的性能。选择的阴极缓冲层材料为4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline(Bphen),通过改变Bphen层的厚度探索对太阳能电池性能的影响。实验结果表明当Bphen层的厚度为10 nm时器件性能最好。在此基础上,系统研究了体异质结(Bulk Heterojunction,BHJ)结构对器件性能的影响。即在Zn Pc与C60之间添加掺杂层Zn Pc:C60。结果显示:当掺杂比率为2:1时,器件功率转换效率(Power Conversion Efficiency,PCE)最高,为0.84%,相对于面异质结(Planar Heterojunction,PHJ)的器件效率提升了55%。(2)以poly(3-hexylthiophene)(P3HT):[6,6]-phenyl C61-butyric acid methyl ester(PCBM)作为有机太阳能电池活性层研究聚合物太阳能电池器件的性能。在这一部分,选择在活性层和阴极之间插入不同的阴极缓冲层材料,分别为有机物、无机物以及将有机物和无机物掺杂三种不同形式。结果表明,当金属阴极材料沉积在活性层时,相对热的金属原子会在活性层表面发生化学反应以及扩散到活性层材料中,插入阴极缓冲层会增强电子的传输,阻挡激子以及避免电子和空穴淬灭的作用。最终获得了最高效率为2.78%的太阳能电池器件,相对于未添加掺杂层的器件效率提升了75.9%。(3)通过纳米球刻蚀技术发展对于有序排列的Si纳米柱阵列的可控及低成本制备,并进一步研究基于此的有机/无机杂化太阳能电池:首先利用LB拉膜技术在n-Si(100)片上制备了Si O2纳米粒子点阵单层膜作为掩膜板,采用ICP干法刻蚀制备尺寸可控的Si纳米柱阵列。系统研究了直径(D)及高度(H)等参数对于Si纳米柱阵列的光学性能的影响,得出的结论是D越小,H越大,Si纳米柱阵列的吸光性能越优异。最后制备了基于Si纳米柱/共轭高分子(PEDOT:PSS)的肖特基杂化太阳能电池器件,通过电流-电压测试考察了器件的光伏性能。 【关键词】：有机太阳能电池 阴极缓冲层 硅纳米柱阵列 杂化太阳能电池
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 绪论13-31
• 1.1 课题来源13
• 1.2 课题研究的目的及意义13-15
• 1.3 太阳能的利用15-17
• 1.4 太阳能电池分类17-20
• 1.5 有机太阳能电池的结构和工作原理20-23
• 1.5.1 有机太阳能电池的结构20-22
• 1.5.2 有机太阳能电池的工作原理22-23
• 1.6 太阳能电池的研究概况23-29
• 1.6.1 有机太阳能电池的研究概况23-26
• 1.6.2 硅基有机/无机杂化太阳能电池的研究概况26-29
• 1.7 论文的主要内容29-31
• 第二章 实验设备及太阳能电池性能参数31-39
• 2.1 实验所用仪器设备简介31-36
• 2.1.1 真空蒸镀及旋涂设备31-32
• 2.1.2 太阳能测试设备32-33
• 2.1.3 LB拉膜系统33-34
• 2.1.4 干法刻蚀系统34-36
• 2.2 太阳能电池性能参数36-38
• 2.3 本章小结38-39
• 第三章 有机小分子太阳能电池的研究39-51
• 3.1 引言39-40
• 3.2 器件的制备40-45
• 3.2.1 实验材料40-42
• 3.2.2 器件的制备和测试42-45
• 3.3 实验结果与分析45-49
• 3.3.1 阴极缓冲层（CBL）厚度的研究45-47
• 3.3.2 体异质结（BHJ）的研究47-49
• 3.4 本章小结49-51
• 第四章 有机高分子太阳能电池的研究51-63
• 4.1 引言51-52
• 4.2 器件的制备52-56
• 4.2.1 实验材料52-54
• 4.2.2 器件的制备和测试54-56
• 4.3 实验结果与分析56-62
• 4.3.1 有机阴极缓冲层材料56-58
• 4.3.2 无机阴极缓冲层材料58-60
• 4.3.3 掺杂阴极缓冲层材料60-62
• 4.4 本章小结62-63
• 第五章 硅纳米柱阵列-PEDOT:PSS杂化太阳电池器件研究63-77
• 5.1 引言63-64
• 5.2 Si纳米柱阵列的制备与光学特性的研究64-73
• 5.2.1 SiO_2 纳米粒子的表面改性65-66
• 5.2.2 LB拉膜66-67
• 5.2.3 SiO_2 粒子点阵占空比的调控67-69
• 5.2.4 可控尺寸的Si纳米柱阵列的制备69-71
• 5.2.5 Si纳米柱阵列的光学特性的研究71-73
• 5.3 太阳能电池器件的制备和性能表征73-76
• 5.3.1 太阳能电池器件的制备73-75
• 5.3.2 太阳能电池器件的性能表征75-76
• 5.4 本章小结76-77
• 第六章 总结与展望77-79
• 6.1 总结77-78
• 6.2 展望78-79
• 参考文献79-93
• 作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文93-94
• 作者在攻读硕士学位期间所作的项目94-95
• 致谢95

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