ZnO、α--Fe2O3纳米材料的合成、表征及ZnO/聚合物太阳能电池的制作与评价

摘要

能源紧缺、环境恶化等问题严重的影响着人们的生活，因此寻找清洁可再生能源成为人们越来越关心的问题。而太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的绿色环保能源极大地引起了人们的兴趣。太阳能电池是有效利用太阳能的重要手段。其中无机纳米晶/聚合物太阳电池因同时具有无机、有机材料的优良性能被日益关注。但此类电池存在无机有机材料吸光性能不好、两相相容性不佳，界面不连续等问题，导致太阳能电池光电转换效率不高。因此制备形貌规整、吸光性能好的纳米材料，及性能优良的聚合物成为解决问题的关键。本文以水热法合成形貌规整的纳米材料为出发点，进行了一系列研究，具体内容如下: (1)以硝酸锌和六亚甲基四胺为原料，通过水热法在ITO上可控合成了形貌规整的ZnO纳米棒。并研究了ITO衬底的放置方式、前驱溶液浓度、晶种退火温度及溶液pH值等对ZnO纳米棒形貌和结构的影响。还通过改变不同条件合成了ZnO锥形纳米棒、纳米管、纳米花、纳米片、纳米线等结构。实验样品均通过SEM、XRD进行了表征。整个实验操作简单、无污染、易重复。 (2)以前驱溶液浓度1∶1，晶种350℃退火0.5h，ITO水平放置于液面，95℃水热反应24h，制备的ZnO纳米棒为受体材料，与本课题组自主合成的聚合物含硝基的超支化聚苯撑乙烯、超支化的聚噻吩类衍生物以及市售的P3HT进行杂化，组装成器件进行了太阳能电池模拟实验。并利用UV-vis，I-V特征曲线对器件的光学性能进行了测试。研究表明聚合物的种类、溶剂的选择、ZnO纳米材料的厚度均影响器件的性能。实验目前所得最优光电参数为JSC=0.0042mA·cm-2，VOC=0.228V，FF=0.24，η=0.0227％。为自主合成的聚合物在太阳能电池方面的应用提供了一定的理论依据。 (3)利用水热法可控合成了不同形貌的α-Fe2O3纳米材料，如纳米微球、纳米棒、纳米片、椭球型纳米微球等。并研究了反应溶液的浓度、配比对以FeCl3、PEG-600和NaOH为原料合成的α-Fe2O3纳米微球形貌的影响。结果表明α-Fe2O3纳米微球大小均匀，没有团聚现象。随浓度的增大，球的直径增大，结晶性变好。氧化铁的吸光范围较宽，600nm以内均有吸收。在能级匹配的情况下，作为受体材料应用于太阳能电池理论上会有一定的应用价值。

目录

声明

摘要

1．1引言

1．2无机／有机杂化太阳能电池简介

1．2．1有机太阳能电池的基本结构

1．2．2无机／有机杂化太阳能电池的工作原理及相关参数

1．3 ZnO的研究简介

1．3．1引言

1．3．3ZnO在无机／有机太阳能电池中的研究进展

1．4α-Fe2O3研究简介

1．4．1引言

1．4．2氧化铁的基本性质

1．4．3 α-Fe2O3在太阳能电池中的研究进展

1．5纳米材料的合成方法——水热法

1．6本课题的选题思想及研究内容

第二章ITO衬底上水热法可控生长ZnO纳米棒的研究

2．1引言

2．2实验部分

2．2．1实验试剂和仪器

2．2．2 ITO导电玻璃的清洗

2．2．3反应釜的清洗

2．2．4晶种的制备

2．2．5 ZnO纳米棒的制备

2．2．6样品表征

2．2．7实验原理

2．3结果与讨论

2．3．1 ITO放置方式对ZnO纳米棒形貌和结构的影响

2．3．2不同前驱溶液浓度对ZnO纳米棒形貌和结构的影响

2．3．3不同退火温度对ZnO纳米棒形貌和结构的影响

2．3．4 pH对ZnO纳米棒形貌和结构的影响

2．4其他形貌特征的ZnO纳米材料

2．4．1 ZnO锥形纳米棒的形貌分析

2．4．2 ZnO纳米管的形貌分析

2．4．3 ZnO纳米花的形貌分析

2．4．4 ZnO纳米片的形貌分析

2．4．5 ZnO纳米线的形貌分析

2．5本章小结

第三章ZnO纳米棒／聚合物杂化太阳能电池的研究

3．1引言

3．2实验部分

3．2．1实验试剂和仪器

3．2．2 ITO基片的清洗

3．2．3 ZnO纳米棒的制备

3．2．4 ZnO纳米棒的表征

3．2．5聚合物的制备

3．2．6 ZnO纳米棒／聚合物杂化太阳能电池器件的制备

3．2．7器件的测试

3．3结果与讨论

3．3．1 ZnO纳米棒与不同聚合物的杂化对器件性能的影响

3．3．2不同溶剂对器件性能的影响

3．3．3不同浓度生长的ZaO纳米棒对器件性能的影响

3．4本章小结

第四章α-Fe2O3纳米材料的合成与表征

4．1引言

4．2实验部分

4．2．1实验试剂和仪器

4．2．2 α-Fe2O3纳米微球的制备

4．2．3样品的表征

4．3结果与讨论

4．3．1不同浓度的反应液对α-Fe2O3纳米微球形貌和结构的影响

4．3．2不同配比α-Fe2O3纳米微球形貌和结构的影响

4．4其他形貌α-Fe2O3纳米材料的合成

4．4．1 α-Fe2O3纳米棒的制备

4．4．3椭球型α-Fe2O3纳米微球

4．5待完成的实验

4．6本章小结

总结与展望

参考文献

本人在硕士期间研究成果

致谢