基于GaN纳米柱结构的反转有机太阳能电池的研究

摘要

有机太阳能电池是一种光电转化器件，它具有常规太阳能电池所不具备的成本低、环保等特点。但是，此类电池大多使用了化学稳定性较低的Al作为表面阴极，存在着可靠性较低的缺点，反转有机太阳能电池通过改变电子、空穴传输方向和表面电极的极性弥补了上述有机太阳能电池存在的缺点，具有很高的研究价值。
　　本论文基于反转有机太阳能电池的现有工艺，在制备中使用了GaN材料，成功制得基于GaN纳米柱的反转有机太阳能电池。
　　在制备流程上，有如下研究:
　　(1)研究了制作Ni掩膜的方法，利用SEM手段，研究了Ni金属蒸发厚度、退火温度和Ni岛形貌的关系。
　　(2)阐述了利用ICP手段刻蚀GaN纳米柱的方法，通过将刻蚀速率与反应气体流量、反应室压强进行对比，结合ICP刻蚀原理，解释了这两者和刻蚀速率的关系，并优化了刻蚀GaN的参数。
　　在性能分析上，有如下研究:
　　(1)通过对比不同纳米柱高度下制得电池的能量转换效率，得到纳米柱高度和能量转换效率的关系，并分析了其内在联系。
　　(2)通过对比不同P3HT∶PCBM旋涂转速下制得电池的能量转换效率，得到了薄膜厚度和能量转换效率的关系，并利用有机半导体理论进行了解释。
　　(3)通过对比不同退火温度下制得电池的能量转换效率，得到了退火温度和能量转换效率之间的关系，并进行了机理阐述。
　　分析表明，基于此种结构的有机太阳能电池性能良好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 太阳能的衡量及表述

1．2．1 太阳常数

1．2．2 大气质量

1．2．3 太阳光谱

1．3 太阳能电池的分类

1．3．1 无机太阳能电池

1．3．2 有机太阳能电池

1．4 有机太阳能电池的发展历史

1．5 目前典型有机太阳能电池结构的性能

1．6 反转结构有机太阳能电池

第二章 有机太阳能电池的工作原理

2．1 有机半导体材料的物理性质

2．1．1 能带结构

2．1．2 载流子传输机理

2．2 有机太阳能电池光伏原理

2．2．1 激子的产生过程

2．2．2 激子的扩散和自由电予、自由空穴的产生

2．2．3 光生载流子的运动

2．3 有机太阳能电池的重要参数及其推导

2．3．1 光电流

2．3．2 开路电压的推导

2．3．3 短路电流的导出

2．4 有机太阳能电池的等效模型

2．5 典型的有机太阳能电池器件结构

2．5．1 单质结型有机太阳能电池结构

2．5．2 异质结型有机太阳能电池

2．5．3 共混结构的有机太阳能电池

2．6 有机光伏材料的种类

2．6．1 有机小分子材料

2．6．2 有机大分子聚合物材料

2．7 电极材料

2．8 GaN材料的性质

第三章 器件的制备

3．1 概述

3．2 加工设备简介

3．2．1 GaN MOCVD

3．2．2 基于ALD方法的AL2O3

3．2．3 GaN ICP刻蚀

3．2．4 电子束蒸发设备

3．3 器件加工

3．3．1 整体流程

3．3．2 MOCVD GaN

3．3．2 ALD Al2O3

3．3．3 Ni纳米岛的制作

3．3．4 GaN纳米柱刻蚀

3．3．5 有机材料的旋涂

3．3．6 制作电极

3．3．7 退火

第四章 电池的性能分析

4．1 GaN纳米柱高度对有机太阳能电池光伏性能的影响

4．1．1 测量结果

4．1．2 机理分析

4．2 P3HT：PCBM旋涂厚度对有机太阳能电池光伏性能的影响

4．2．1 测量结果

4．2．2 机理分析

4．3 退火温度对有机太阳能电池光伏特性的影响

4．3．1 测量结果

4．3．2 机理分析

第五章 结论

致谢

参考文献

研究成果