柔性高迁移率氧化锌基TCO薄膜及其在钙钛矿电池中应用

摘要

透明导电氧化物薄膜是新型光电薄膜中极为重要的一类，其在太阳光谱可见光范围内透明，对红外光有较强的反射，且电导率较大，因而是一种比较理想的透明电极材料，已在太阳能电池、液晶显示器、气体传感器、智能玻璃等领域得到广泛应用。
　　本论文以氧化锌基透明导电薄膜及其在钙钛矿太阳能电池中的应用为研究内容，综合采用脉冲激光沉积技术，热蒸发真空镀膜技术，及水热技术，制备了铝、氟掺杂氧化锌(AZO、FZO)及金属/氧化锌复合薄膜(Cu/FZO、Ag NW/FZO)，系统研究了其透明导电性能，并将Ag NW/FZO薄膜应用到钙钛矿电池中，初步研究了其对电池性能的影响。主要研究内容及结果如下:
　　1、研究了PLD法制备的Al、F施主掺杂ZnO(AZO、FZO)薄膜的透明导电性能。以含有ⅢA族/Ⅶ族元素(Al、F等)的化合物为施主掺杂剂对氧化锌靶材进行掺杂，研究了PLD生长条件，如掺量、气压、温度等，对AZO、FZO薄膜生长及透明导电性能的影响。最优生长条件下，玻璃衬底上AZO薄膜电阻率为2.6×10-4Ω·cm，对应的载流子浓度为8.4×1020 cm-3，霍尔迁移率28.5cm2/Vs，在可见光范围内的透光率超过85％。在PET衬底上FZO薄膜最优电阻率为2.02×10-3Ω·cm，对应的载流子浓度为2.47×1020cm-3，霍尔迁移率达到12.5 cm2V-1s-1，透过率超过90％。
　　2、综合利用PLD法和热蒸发法制备了柔性Cu/FZO复合薄膜，并研究了其透明导电机理。在柔性衬底上沉积不同厚度铜膜，在其上生长一层FZO薄膜形成Cu/FZO复合薄膜。系统研究了金属铜层厚度对复合薄膜的性能的影响。实验发现，随着铜层厚度的增加（3→50 nm），Cu/FZO复合薄膜电阻率不断减小(4×10-3→2.2×10-5Ω·cm)，其透过率会随之下降（80％→5％）。霍尔效应结果证实，复合薄膜电阻率下降主要是由于薄膜载流子浓度的增加，这是由于费米能级的不同，铜层和FZO层接触时，电子从铜层流向FZO层引起的。
　　3、综合利用PLD法和水热法制备了柔性Ag NW/FZO复合薄膜。研究了银纳米线的长度、旋涂工艺对单层Ag NW薄膜透明导电性能的影响。实验发现，长银纳米线(约60 um)比短银纳米线（约15 um）更适合制备透明导电薄膜;当悬浮液浓度为4 mg/mL时，银纳米线薄膜面电阻为19.2欧姆/平方，透光率达到90.14％，高于ITO(89.8％)。Ag NW薄膜复合FZO层后在保持其透明导电性能的同时，还具有较高的雾度(36.5％-38％)，其机械性能也有所提高。
　　4、将具有高透明导电性能、高雾度的Ag NW/FZO复合薄膜应用到钙钛矿薄膜电池。采用两步法组装了具有Ag NW/FZO|TiO2|甲胺铅碘|HTM|金属电极结构韵钙钛矿电池，初步探索了电池器件的制备工艺。Ag NW/FZO电极与传统的FTO电极相比，钙钛矿电池效率从2.95％提高到4.1％，主要是由于Ag NW/FZO电极具有较高的雾度，增加了光程，提高了光的利用率。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 透明导电材料

1．2 脉冲激光沉积技术

1．3 ZnO的基本性质

1．4 氧化锌基透明导电膜及钙钛矿电池的研究进展

1．4．1 掺杂ZnO基透明导电膜

1．4．2 柔性复合ZnO基透明导电膜

1．4．3 钙钛矿薄膜太阳能电池

1．5 论文研究问题的提出和研究内容

第二章 实验部分

2．1 实验试剂与制备技术

2．2 样品制备

2．2．1 脉冲激光沉积技术(PLD)

2．2．2 真空热蒸发技术

2．2．3 水热合成技术

2．3 表征方法

2．3．1 扫描电子显微镜(SEM)

2．3．2 X射线衍射谱(XRD)

2．3．3 光吸／透射／反射谱(Abs／Tran／Ref)

2．3．4 薄膜方块电阻测试系统

2．3．5 Hall效应电输运测试系统

2．3．6 太阳能电池光电转化效率测试系统

第三章 脉冲激光沉积制备Al、F掺杂ZnO薄膜及透明导电性能

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 靶材制备和衬底准备

3．2．2 ZnO：Al和ZnO：F薄膜的制备

3．2．3 材料结构及透明导电性能表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 Al掺杂ZnO薄膜制备及透明导电性能

3．3．2 柔性F掺杂ZnO薄膜及透明导电性能

3．4 小结

第四章 柔性Cu／F：ZnO多层透明导电薄膜制备及性能

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 ZnO：F薄膜的制备

4．2．2 柔性复合多层Cu／F：ZnO透明导电薄膜的制备

4．2．3 薄膜表征与性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 铜层厚度对柔性复合Cu／F：ZnO薄膜透明导电性能的影响

4．3．2 柔性复合多层Cu／F：ZnO透明导电薄膜的机械性能

4．4 小结

第五章 柔性Ag NW／F：ZnO透明导电薄膜的制备及性能

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 贵金属银(Ag)纳米线(NW)的制备

5．2．2 Ag NW薄膜和Ag NW／FZO复合薄膜的制备

5．2．3 材料表征与性能测试

5．3 结果与讨论

5．3．1 银纳米线的形貌和结构分析

5．3．2 银纳米线长度对单层银纳米线薄膜透明导电性能的影响

5．3．3 旋涂工艺对单层银纳米线薄膜透明导电性能的影响

5．3．3 FZO层对Ag NW／FZO复合薄膜透明导电性能的影响

5．3．4 Ag NW／FZO复合薄膜机械性能

5．4 小结

第六章 Ag NW／F：ZnO复合薄膜在钙钛矿电池中的应用

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 Ag NW／F：ZnO复合电极的制备

6．2．2 甲胺铅碘钙钛矿电池的组装

6．2．3 材料表征与钙钛矿电池性能测试

6．3 结果与讨论

6．3．1 甲胺铅碘薄膜的光吸收特性

6．3．2 基于Ag NW／F：ZnO复合电极的钙钛矿电池的性能

6．3 小结

第七章 全文总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

一、在校期间发表的学术论文

二、在校期间获奖情况