ZnO、CdS(Se)纳米结构对倒置聚合物太阳能电池性能的影响

【摘要】：有机太阳能电池在大规模生产低成本、柔性可卷曲的产品方面展现出广阔的应用前景。但是，由于有机光敏材料存在激子扩散长度较短、电子传输速率较低的问题，限制了其应用。利用迁移率较高的无机纳米材料作为电子传输层，可提高电子的传导能力，以此提高器件的能量转化效率。在无机纳米材料中，由于II-VI化合物纳米材料如CdS、CdSe以及ZnO等的载流子迁移率高，所以其在有机太阳能电池中的应用备受瞩目。 理想的电子传输层除了要求材料具备高的载流子迁移率外，还需要提供更多的激子分离界面以及直接的电子传输通道，使光敏活性层产生的光生电子快速并有效地传输至电极，以提高器件的光电转化效率。为了解决这一问题，我们在CdS、CdSe和ZnO纳米材料优化有机太阳能电池电子传输方面做了相应研究，主要包括结晶性良好的CdS、CdSe纳米材料和多孔ZnO纳米材料作为电子传输层对倒置有机太阳能电池性能的优化，以及利用紫外臭氧对ZnO纳米薄膜缺陷钝化后作为电子传输层对倒置有机太阳能电池性能的影响。 首先，具有良好结晶性的CdS纳米片、网孔状CdS纳米材料和网孔状CdSe纳米材料可以与传统光敏活性层能级匹配良好，且这些高结晶性材料自身晶界较少，所以捕获电子的缺陷密度也会相应减小。最主要的是具有片状以及网孔状结构的CdS（Se）材料具备更高的比表面积，为激子提供了更多的分离界面以及传输通道。正由于这些纳米结构材料具有上述优点，所以我们将其作为电子传输层分别应用在倒置有机太阳能电池的制备中。通过对这些材料厚度以及电池活性层厚度进行优化，使电池器件性能得以优化。 其次，由于ZnO无毒环保，且制备工艺简单，所以通过水热法制备了多孔、高结晶性的三维ZnO纳米花材料代替CdS（Se）纳米结构材料作为电子传输层对倒置有机太阳能电池进行优化。其中，重点研究了不同生长时间下（6h，9h和12h）的ZnO材料的形貌及光电性能。结果表明反应9h的多孔ZnO纳米花材料具有较高透光率、低缺陷密度以及高载流子迁移率等优点，是较为理想的电子传输层材料。最后将这些材料应用于有机太阳能电池的制备中。器件性能测试结果证明，以生长时间为9h的多孔ZnO纳米花材料作为电子传输层的器件性能最佳。与无ZnO修饰层的参比器件相比，其短路电流密度和光电转化效率明显提高，分别达到了5.68mA/cm2和1.24%。 最后，为改善多孔ZnO纳米花材料的电子传输性能，我们先对ZnO纳米花的晶种层ZnO纳米薄膜进行了优化。即将ZnO纳米薄膜进行快速紫外臭氧处理后应用于电池器件中，并对紫外臭氧处理时间对器件性能的影响进行分析研究。紫外臭氧处理20s后的ZnO电池器件短路电流与能量转换效率分别提高了8.22%和12.42%。经过优化后的电池器件还表现出优异的稳定性。我们认为臭氧处理可以填补ZnO纳米薄膜中的氧空位缺陷，从而减小ZnO纳米薄膜与聚合物之间的内电阻，提高电子传输效率，进而达到优化多孔ZnO纳米花性能的目的。 【关键词】：高结晶性 多孔 氧缺陷 倒置有机太阳能电池
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-21
• 1.1 引言9
• 1.2 有机太阳能电池的基本理论9-12
• 1.2.1 有机太阳能电池的工作原理9-10
• 1.2.2 有机太阳能电池的主要参数10-11
• 1.2.3 有机太阳能电池的研究现状11-12
• 1.3 倒置有机太阳能电池12-18
• 1.3.1 倒置有机太阳能电池的发展现状12-15
• 1.3.2 ZnO、CdS(Se)半导体材料的研究进展15-18
• 1.4 论文研究内容及意义18-21
• 第二章 CdS（Se）纳米材料电子传输层对电池性能的优化21-30
• 2.1 引言21
• 2.2 实验21-22
• 2.3 网孔状 CdSe 对器件性能的影响22-24
• 2.4 CdS 纳米片对器件性能的影响24-25
• 2.5 网孔状 CdS 对器件性能的影响25-29
• 2.5.1 网孔状 CdS 器件 J-V 分析25-27
• 2.5.2 网孔状 CdS 材料形貌分析27-28
• 2.5.3 网孔状 CdS 与 CdSe 对器件性能影响的对比分析28-29
• 2.6 结论29-30
• 第三章 多孔 ZnO 纳米花电子传输层对电池性能的优化30-43
• 3.1 引言30
• 3.2 实验30-33
• 3.2.1 FTO 导电玻璃的清洗31
• 3.2.2 ZnO 晶种层的制备31
• 3.2.3 多孔 ZnO 纳米花的制备31-32
• 3.2.4 多孔 ZnO 纳米花电池的制备32-33
• 3.3 ZnO 纳米花对器件性能的影响33-42
• 3.3.1 多孔 ZnO 纳米花形貌分析33-34
• 3.3.2 多孔 ZnO 纳米花晶体结构分析34-36
• 3.3.3 多孔 ZnO 纳米花的光学性能分析36-37
• 3.3.4 多孔 ZnO 纳米花对器件性能影响的分析37-40
• 3.3.5 CdS 纳米片与多孔 ZnO 纳米花对器件性能影响的比较40-42
• 3.4 结论42-43
• 第四章 臭氧处理对 ZnO 纳米薄膜及其电池性能的优化43-58
• 4.1 引言43
• 4.2 实验43-45
• 4.2.1 ITO 导电玻璃的清洗44
• 4.2.2 溶胶-凝胶法制备 ZnO 纳米颗粒44
• 4.2.3 ZnO 纳米薄膜电子传输层有机太阳能电池的制备44-45
• 4.3 臭氧处理时间对器件性能的影响45-57
• 4.3.1 ZnO 纳米薄膜表面性能分析45-46
• 4.3.2 ZnO 纳米薄膜表面电势分析46-48
• 4.3.3 ZnO 纳米薄膜 XPS 分析48-49
• 4.3.4 ZnO 纳米薄膜材料及器件的光电性能分析49-50
• 4.3.5 ZnO 纳米薄膜对器件 J-V 的影响50-52
• 4.3.6 ZnO 纳米薄膜对器件稳定性的影响52-54
• 4.3.7 优化晶种层对多孔 ZnO 纳米花性能的优化54-57
• 4.4 结论57-58
• 第五章 全文总结及展望58-60
• 5.1 论文总结58-59
• 5.2 展望59-60
• 参考文献60-66
• 发表论文和科研情况说明66-67
• 致谢67-68

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