氧化锌阵列的制备及其在光电池中的应用研究

摘要

氧化锌(ZnO)是一种宽带隙的半导体材料，具有优良的物理和化学性质，是目前光电子研究领域的热点。电化学自组装方法具有沉积速率高、操作温度低、可以在复杂衬底表面生长，成本低和环境友好等优点，而在材料合成领域受到广泛重视。本论文针对目前氧化锌材料研究领域的热点和难点，利用电化学自组装的方法在氧化锌材料制备和光电性能的应用方面开展了一系列的工作：
　　 详细研究了利用电化学自组装方法制备氧化锌薄膜和纳米粒子，探索了溶液化学法制备氧化锌纳米粒子的生长机理，讨论了制备条件对氧化锌纳米粒子的结构和光学性质的影响。
　　 将聚环氧乙烷(PEO)引入到电化学沉积电解液中，利用电化学方法控制ZnO的成核，利用PEO控制ZnO晶体的生长，获得分散的、具有高度c-轴取向的ZnO六棱柱，提出了PEO辅助定向生长ZnO纳米棒的机理，认为PEO与ZnO不同晶面的吸附强度不同，导致了ZnO侧面和端面的生长活性不同，从而促进了ZnO晶体的各向异性生长。
　　 定向生长的ZnO纳米棒阵列薄膜可用于聚合物太阳能电池结构，用以提高体系的电荷传输效率从而提高光伏电池效能。为此，我们制备了结构为ITO/ZnO/PAT6-PCBM/Au的本体异质结型聚合物光伏电池，当在器件结构中插入定向生长的ZnO纳米柱多孔薄膜层，电池的光伏性能有很大的改善，经过ZnO纳米柱生长分布密度和整体装置退火条件的优化分析，我们得到了光电转换效率为1.71％的的光伏电池。
　　 为了更加清楚的了解ZnO层在光伏电池结构中的作用，我们以相互浸润互穿网络型层层结构光伏装置为研究对象，分析对比了含不同结构ZnO层的器件性能，结果表明，定向生长的ZnO纳米柱多孔结构相比于平整结构的ZnO层更加有利于提高光电池的光伏性能；制备了含双层结构氧化锌的结构为ITO/doubleZnO/C60/PAT6/Ag的光电池，在AM1.5(光强为100 mWcm-2)光照射下得到的光电转换效率为1.31％，短路电流为7.74 mAcm-2，开路电压为0.40V和填充因子为41％。
　　 结合光电导原理，初步建立了关于不同结构ZnO薄膜对光电池效率的贡献的理论模型，分析了不同结构的氧化锌对光伏装置效能贡献的程度。并且以我们的理论分析为依据，提出了对该课题进一步研究的方向。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2太阳能电池

1.2.1硅系太阳能电池

1.2.2无机化合物薄膜太阳能电池

1.2.3有机太阳能电池

1.3氧化锌特性、薄膜制备及应用

1.3.1氧化锌的基本特性

1.3.2氧化锌薄膜的制备

1.3.3氧化锌薄膜的应用

1.4氧化锌纳米材料及在光伏器件中的研究进展

1.5聚合物太阳能电池的发展趋势

1.6课题的提出

第二章高分子固体薄膜光电池的工作原理制备及测试

2.1光伏效应

2.2高分子固体薄膜光伏电池的工作原理

2.3 Air Mass(AM)概念

2.4高分子固体薄膜光电池的制备工艺过程

2.4.1划片

2.4.2刻蚀

2.4.3洗片

2.4.4臭氧Plasma处理

2.4.5PEDOT：PSS的旋涂

2.4.6蒸发PEDOT中的溶剂

2.4.7有机活性层的旋涂

2.4.8金属电极的蒸镀

2.5高分子固体薄膜光电池的测试

2.5.1基本理论知识与计算

2.5.2光电池中的能量损失机构

2.5.3光电池性能参数的测定

第三章电化学自组装氧化锌薄膜和纳米粒子

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.3.1生长过程分析

3.3.2结构形貌分析

3.3.3薄膜光学性能分析

3.4小结

第四章定向自组装生长氧化锌纳米柱

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.3.1结构形貌分析

4.3.2定向生长机理分析

4.3.3薄膜材料的光学性能分析

4.4小结

第五章氧化锌纳米柱阵列在本体异质结型光电池中的应用研究

5.1引言

5.2实验部分

5.3结果与讨论

5.3.1用于制备光伏器件的氧化锌结构

5.3.2器件的光伏性质

5.3.3器件的外部量子效应(EQE)与紫外可见吸收光谱

5.3.4器件的稳定性研究

5.3.5氧化锌纳米柱生长分布密度对器件性能的影响

5.3.6退火处理对器件光伏性能的影响

5.4小结

第六章氧化锌在相互浸润互穿网络双层型结构光电池中的研究

6.1引言

6.2实验部分

6.3结果与讨论

6.3.1磁控溅射制备的平整结构氧化锌对光电池性能的作用

6.3.2定向生长的氧化锌纳米柱在相互浸润型结构电池的作用

6.3.3双层氧化锌在相互浸润型结构光电池中的作用

6.3.4双层氧化锌对器件性能的优化

6.4小结

第七章氧化锌在聚合物光电池中作用的理论分析

7.1有机光伏电池工作原理

7.1.1光吸收和激子的产生

7.1.2激子扩散到给体和受体间的界面

7.1.3激子分离带电载流子产生

7.1.4载流子扩散到相对应的电极

7.1.5载流子被相应的电极收集

7.2光电导原理

7.3氧化锌增加光电池效能的理论分析

7.3.1氧化锌电子迁移能力

7.3.2氧化锌与电子受体之间的电子传输通道

7.3.3氧化锌对光电池性能作用的分析

7.4理论的指导意义

第八章结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢