Ⅱ-Ⅵ族半导体材料的制备及在有机光伏器件中的应用

【摘要】：近些年，不断爆发的能源危机和环保问题使人类对可再生的清洁能源的需求愈来愈迫切。作为一种取之不尽，用之不竭的清洁能源，太阳能正迅速被世界各国开发和利用。它还被寄予替代煤炭、石油和天然气等不可再生能源。 太阳能电池作为有效利用太阳能的载体，主要有：晶体硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、III-V族化合物太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能（或称有机光伏）电池等。有机光伏器件由于工艺简单，可进行大面积和柔性加工而倍受青睐。 有机光伏电池的本质是施主材料(p型)和受主材料(n型)在光照下被激发至各自的激发态，在界面处发生激发态间的电荷转移。激子离解成电子和空穴，这些自由载流子分别穿过给-受体材料被各自的电极收集生成光生电动势，在外接电路下产生光电流。为提高电池的能量转换效率，在活性层(包含施主材料和受主材料)与电极之间添加电子传输层和空穴传输层，以提高激子的分离效率。 本论文主要通过多种物理和化学方法合成II-VI族半导体材料，将其应用于有机光伏领域。本文不仅研究合成材料的形貌、光学、电学、表面能和电子能级等特性，还对基于此类材料制备的有机光伏器件进行工作机理研究和分析。 具体内容如下： （1）使用高温炉进行热气相沉积纳米材料。规整的纳米阵列在光伏器件制备上具有潜在优势。基于硫化镉（CdS）本身优良的半导体特性，本论文通过控制反应气压、沉积位置和加热温度等因素，制备得到形貌规整的类似阵列的CdS纳米材料，研究其生长机理。 （2）化学水浴法沉积CdS纳米薄膜，并制备有机光伏器件。CdS薄膜厚度和形貌的控制通过调整水浴温度、生长时间及退火处理等方法实现。本文还联系器件性能与薄膜特性，研究其工作机理。 （3）原子层沉积CdS膜作有机光伏器件的电子传输层。利用原子层沉积工艺，生长规整的、厚度精确的CdS膜。通过椭偏仪/AFM/TEM/接触角测试系统/XPS等设备，对薄膜的厚度、形貌、晶体结构、表面能和电子能级等进行表征分析，全Ⅱ面了解合成材料的特性。CdS膜作电子收集层，可降低ITO的功函数，使ITO和光活性层之间的能级匹配。它有效提高有机光伏器件的激子分离效率，使有机光伏器件的能量转换效率达到3.33%。 【关键词】：Ⅱ-Ⅵ族材料 有机光伏 热气相沉积 化学水浴沉积 原子层沉积 硫化镉（CdS）
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TN304.22;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-38
• 1.1 引言11-12
• 1.2 有机光伏的发展历程12-16
• 1.2.1 发展历史12-13
• 1.2.2 研究现状和产业化进程13-16
• 1.3 有机光伏的工作原理16-18
• 1.3.1 器件结构16
• 1.3.2 工作原理16-18
• 1.4 有机光伏的材料18-22
• 1.4.1 活性层—给体和受体材料18-20
• 1.4.2 电极材料20-21
• 1.4.3 缓冲材料21-22
• 1.5 太阳能电池的性能表征22-25
• 1.5.1 等效电路23
• 1.5.2 短路电流23-24
• 1.5.3 开路电压24
• 1.5.4 填充因子24-25
• 1.5.5 外量子效率25
• 1.5.6 能量转换效率25
• 1.6 有机光伏的主要问题和发展趋势25-32
• 1.6.1 主要问题和解决思路25-28
• 1.6.2 其他改善性能的方案28-32
• 1.7 本论文的主要研究工作32-33
• 1.8 参考文献33-38
• 第二章 材料和器件制备38-49
• 2.1 II-VI 族半导体材料的制备38-44
• 2.1.1 纳米材料简介38-39
• 2.1.2 液相法39-41
• 2.1.3 气相法41-43
• 2.1.4 其他方法43-44
• 2.2 光伏器件的制备流程44-45
• 2.2.1 基底处理44
• 2.2.2 CdS 层制备44
• 2.2.3 活性层制备44
• 2.2.4 真空蒸镀44-45
• 2.3 材料表征设备和器件性能测试系统45-46
• 2.3.1 紫外可见光吸收谱46
• 2.3.2 原子力显微镜46
• 2.3.3 扫描电子和透射电子显微镜46
• 2.3.4 固定角光谱椭偏仪46
• 2.3.5 光电子能谱仪46
• 2.3.6 I-V 测试系统46
• 2.4 参考文献46-49
• 第三章 热气相沉积法生长 II-VI 族纳米材料49-57
• 3.1 引言49
• 3.2 热气相沉积工艺49-50
• 3.3 CdS 纳米结构的生长机理研究50-52
• 3.4 CdS 纳米材料的形貌控制和晶体结构52-55
• 3.4.1 CdS 纳米材料的形貌控制52-53
• 3.4.2 CdS 纳米材料的晶体结构53-55
• 3.5 本章小结55
• 3.6 参考文献55-57
• 第四章 化学水浴生长 CdS 层及有机光伏器件制备57-71
• 4.1 引言57-58
• 4.2 化学水浴沉积和器件制备58
• 4.3 CdS 薄膜特性和光伏器件机理研究58-67
• 4.3.1 CdS 薄膜生长和表面形貌58-60
• 4.3.2 水浴温度和时间对光伏器件性能的影响60-63
• 4.3.3 水浴温度和时间对光伏器件性能的影响63-67
• 4.4 本章小结67
• 4.5 参考文献67-71
• 第五章 原子层沉积 CdS 膜作电子传输层的有机光伏器件71-85
• 5.1 引言71-72
• 5.2 原子层沉积和光伏器件制备72-74
• 5.2.1 原子层沉积 CdS 薄膜72
• 5.2.2 光伏器件制备72-73
• 5.2.3 薄膜和电池测试表征73-74
• 5.3 薄膜特性和器件性能研究74-82
• 5.3.1 薄膜形貌，结构和组成表征74-76
• 5.3.2 光伏器件性能测试76-77
• 5.3.3 CdS 薄膜特性对器件性能的影响77-82
• 5.4 本章小结82
• 5.5 参考文献82-85
• 第六章 全文总结及未来展望85-87
• 6.1 全文总结85-86
• 6.2 未来展望86-87
• 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文87-88
• 致谢88-89

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