原子层沉积技术在光电转换器件表、界面中的研究

摘要

近年来，随着传统能源：石油，煤炭等资源的日渐枯竭，新兴的太阳能光电器件越来越受到人们的重视。这类器件普遍拥有着价格低廉，材料设计制备简单和对环境的破坏性小等优点。各种各样的光电器件被设计和制备出来，例如光电二极管器件可以使用在日常的照明中；太阳能电池器件可以直接转换太阳光为电能；光电探测器可以为我们测量很多肉眼无法发觉的光信号；还有光解水制氢材料可以利用太阳光分解水来实现氢气的高效制备。
　　在这些光电器件中，材料界面由于其对于器件的性能和稳定性具有非常大的影响，从而一直是众多学者研究的重中之重。虽然对于传统的硅基类太阳能电池我们已经有了较为深入的研究，但是由于新型的光电器件中涉及到各种有机-无机复合体系，这其中所包含的各种光生载流子的迁移，界面间的复合和电池测试中的磁滞等现象，并不能完全使用现有的体系去解释和了解它。而这种对于有机-无机复合界面的研究的缺失，限制了我们更深入的了解和探索光电器件，因此有必要对于界面有着更深入的研究来揭示其深层的物理机制。
　　本文采用原子层沉积（ALD）法，在光电转换器件太阳能电池和光电转换器中制备了纳米级的TiO2薄膜和Al2O3薄膜等。分别采用XRD、SEM和TEM等对薄膜样品进行了微结构表征，详细地描述了这层纳米级薄膜在光电器件中的情况，重点研究了添加这几种薄膜后光电器件的物理性质改变，例如电学和光学性质。得到的主要结果汇总如下：
　　（1）在染料敏化电池光阳极和电解液界面处，利用ALD沉积超薄TiO2层并探究其在电子传输和阻挡中的作用
　　对于采用TiO2 P25纳米颗粒制备的染料敏化电池光阳极，我们首先在90度的条件下利用了水热法制备的ZnO纳米带，之后在500度的条件下进行退火，然后将退火后的ZnO纳米带与TiO2 P25纳米颗粒混合，利用ZnO纳米带所具有直接传输通道的一维纳米结构来提高光阳极中电子的传输性能。相对于原本的器件，掺杂后的器件性能提高了64％。之后对光阳极进行了ALD TiO2层处理，讨论在沉积了具有不同厚度的TiO2纳米膜后（1-6nm），在器件中所起的不同作用，最终找到最合适的厚度4nm特别是对器件的开路电压（Voc），填充因子（FF）的影响。在此基础上利用沉积了TiO2纳米膜的光阳极制备了拥有优越性能的染料敏化电池，相对于纯纳米颗粒膜的器件，效率提高了137%。分析了增加纳米超薄层所带来的界面复合和电子注入等情况，最后研究了染料敏化电池中，复合电极对于整个光电器件的影响。
　　（2）在有机-无机钙钛矿电池中，利用ALD沉积新型超薄TiO2层并探究其在电子传导和器件构建中的作用
　　新兴的有机-无机复合钙钛矿电池，是目前最为火热科研热点之一，但是对于这类电池很多探索还处于比较表面的阶段，对于什么是最适合这类电池的材料还在探索中。结合在染料敏化电池中，我们使用超薄TiO2薄膜所取得的优异结果，我们将之使用在了钙钛矿电池中，以此来取代传统钙钛矿电池中的电子传输层使用ALD沉积一层超薄的TiO2（5-20nm）薄膜来传输电子，制备得到优于传统旋涂法制备的TiO2层性能的器件，在使用不掺杂的P3HT的基础上，使用最佳厚度10nm的TiO2薄膜器件的最终性能做到了13.6%的效率。
　　（3）在有机无机钙钛矿电池中，利用ALD和嵌段共聚物材料制备多孔结构的钙钛矿太阳能电池并探究这一多孔结构不同于传统材料的特点
　　除了在平面结钙钛矿电池中的研究，我们还利用ALD技术在生长过程中可以进入微小孔洞的特性在嵌段共聚物（BCPs）表面上沉积TiO2层，研究其不同的薄膜厚度在保型性上的优缺点，在经历了后退火后，除去材料中的嵌段共聚物，构筑了TiO2异形多孔结构来增强钙钛矿电池的性能。最终我们研究了其特殊的光学和电学性质，探索了超薄TiO2层对器件带来的影响，在使用10nm ALD TiO2薄膜的情况下，最终将器件的光电转换效率从9.8%提高到了12.5%。
　　（4）在光电探测器中，制备自驱动的光电探测系统并利用ALD制备超薄Al2O3层，探究其在器件寿命和性能中的作用
　　有机-无机钙钛矿作为一种具有可见光吸收能力的材料，从而被广大科研工作者看为一种极具潜能的光电探测器材料，但是这种材料容易与空气中的水和氧气发生反应，不易于存储和应用。我们使用ALD技术在有机-无机钙钛矿表面制备了一层超薄致密的Al2O3层，由于Al2O3层具有非常好的疏水性能，在尽量保持光电探测器性能的同时，对于器件的稳定性做了较高的提升。之后我们又联立了钙钛矿电池和钙钛矿光探测器，利用电池的光生电压给钙钛矿探测器提供偏压，在一个较低的偏压下（<1V），光电探测器还能保持非常高的响应比，成功制备了具有自驱动性能的柔性光电探测系统

目录

声明

第一章 引 言

1.1 新型光电器件

1.2 光电器件表、界面

1.3 原子层沉积技术

1.4 本论文的工作和意义

参考文献

第二章 光电器件的制备和表征方法

2.1 光电器件的研究

2.2光电器件中电极材料的表征

2.3 光电器件的表征

参考文献

第三章 在染料敏化电池中TiO2 纳米层的研究

3.1 引言

3.2 染料敏化电池复合电极的研究

3.3 染料敏化电池器件的研究

3.4 染料敏化电池中复合电极的表征

3.5 染料敏化电池的表征

3.6 本章小结

参考文献

第四章 在钙钛矿电池中超薄TiO2纳米层的研究

4.1 引言

4.2 钙钛矿平面结型电池的研究

4.3 钙钛矿平面结电池器件的研究

4.4 钙钛矿电池制备过程中的表征

4.5 钙钛矿电池器件的表征

4.6 本章小结

参考文献

第五章 在钙钛矿电池中构建TiO2异形多孔层的研究

5.1 引言

5.2 钙钛矿多孔层型电池的研究

5.3 钙钛矿电池制备过程中的表征

5.4 钙钛矿电池器件的表征

5.5 本章小结

参考文献

第六章 在钙钛矿光电探测器中Al2O3纳米层的研究

6.1 引言

6.2 有机-无机复合钙钛矿光电探测器的研究

6.3 有机-无机复合钙钛矿光电探测器制备的表征

6.4 光电探测器的表征

6.5 本章小结

参考文献

第七章 总结和展望

攻读学位期间公开发表的论文及科研成果

致谢