氧化锌纳米晶作为聚合物光伏器件电极修饰层的研究

摘要

有机光伏由于其价廉、质轻、适合大面积柔性生产等优点引起了人们的极大兴趣。为了实现工业化柔性、高效率、高的稳定性是目前研究的方向，制备以氧化锌(ZnO)纳米晶作为电子传输层的倒置器件，是可以实现上述要求的。但是，由于ZnO自身材料的缺点，如氧空位，较低的电导率等，直接影响了器件的性能，因此成为人们研究的热点。
　　本文分别研究以聚氧化乙烯(PEO)修饰的氧化锌纳米晶、铯掺杂和硫掺杂的氧化锌纳米晶作为倒置有机光伏电池的阴极修饰层。通过不同质量比的PEO∶ZnO、铯掺杂浓度、硫化时间来改变氧化锌的光电特性，进而使器件性能得到提高。具体工作如下:
　　利用PEO主链中的氧能与氧化锌共用电子对形成配合物，来降低氧化锌表面缺陷的原理，制备出PEO∶ZnO质量比分别为0、0.01％、0.05％、0.1％、1％的PEO∶ZnO溶液。发现修饰后的光伏器件短路电流和填充因子都得到了提高。当加入量为0.05％时，器件的光电转化效率(PCE)从1.38％增加到2.06％。性能的提高是由于PEO修饰ZnO后，表面缺陷降低、体电阻降低、电子传输层与活性层间的接触增加。这就为实现大面积的滚筒式印刷技术，提供可能。
　　通过溶胶-凝胶法制备铯掺杂浓度分别为0、1％、3％、6％、9％的氧化锌薄膜，将其用于有机光伏电池器件的电子传输层。当铯掺杂量为6％时，器件的PCE达到了1.59％，与未掺杂的器件相比提高58％，电流密度由3.9 mA cm-2增加到6.91 mA cm-2。铯离子掺杂后，活性层与电子传输层间的能带对齐、电导率增加。同时，我们以水取代乙二醇甲醚后制备出来的器件与上述最优化的器件性能相似。这能更好的满足未来大规模量产的需要。
　　利用S和O之间电负性的差异，当S取代O后能在ZnO和ZnS界面处发生化学键的重新组合生成ZnOS-ZnS。通过水热法制备出高电导率的、能级与活性层更匹配的ZnOS薄膜。将其应用于有机光伏器件中，器件效率由1.3％提高到了2.47％（提高90％）。相比其它通过掺杂来提高氧化锌光电特性的方法，该方法不会产生较高的表面能，制备条件简单，更适合于有机光伏器件的生产。

目录

摘要

声明

第一章 引言

1．1 绪论

1．2 太阳能电池的分类

1．2．1 无机太阳能电池

1．2．2 染料敏化太阳能电池

1．2．3 有机／无机太阳能电池

1．2．4 有机太阳能电池

1．3 有机太阳能电池的基本介绍

1．3．1 有机太阳能电池的分类

1．3．2 有机太阳能电池的工作原理

1．4 有机太阳能电池的发展方向

1．4．1 有机太阳能电池的性能参数

1．4．2 有机光伏的研究现状及存在的问题

1．5 氧化锌纳米晶在有机光伏中的应用及课题的引出

1．5．1 氧化锌纳米晶在有机光伏器件中的应用

1．5．2 本论文的主要研究内容

第二章 实验设备与实验药品

2．1 实验设备

2．2 实验药品

第三章 聚氧化乙烯修饰氧化锌纳米晶的制备及在有机光伏中的应用

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 材料的制备

3．2．2 氧化锌纳米晶的表征

3．3 不同质量比PEO:ZnO对器件性能的影响

3．3．1 器件的制备

3．3．2 器件的测试

3．4 分析与讨论

3．4．1 PL分析

3．4．2 表面形貌对器件性能的影响

3．4．3 接触角对器件性能的分析

3．4．4 功函对器件性能的影响

3．5 本章小结

第四章 铯掺杂氧化锌纳米晶的制备及在有机光伏中的应用

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 铯掺杂氧化锌纳米晶的制备

4．2．2 器件的制备

4．2．3 器件的测试

4．3 分析与讨论

4．3．1 晶体结构分析

4．3．2 光学带隙的对器件性能的影响

4．3．3 导电性能对器件性能的影响

4．3．4 功函对器件性能的影响

4．3．5 溶剂对器件性能的影响

4．4 本章小结

第五章 硫掺杂氧化锌纳米晶的制备及在有机光伏中的应用

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 硫掺杂氧化锌纳米晶的制备

5．2．2 器件的制备

5．2．3 器件测试

5．3 分析与讨论

5．3．1 电导率对器件性能的影响

5．3．2 电学性能分析

5．4 本章小结

第六章 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢