ZnO基有机无机杂化太阳能电池制备及性能研究

摘要

随着全球经济的高速发展，能源紧缺与碳排放问题日益凸显，开发可再生能源也显得越发重要与急迫。有机/无机杂化太阳能电池作为一种有前景的电池，近年来受到了广泛的关注。和传统太阳能电池相比，杂化太阳能电池有很多优势，例如它材料价格廉价，可以在低温下通过旋转涂膜、丝网印刷、喷墨打印等方法制备，可大面积成膜，操作简单易行，被认为是取代无机太阳能电池的理想选择。ZnO基有机无机杂化太阳能电池因ZnO具有可低成本低温生长、电子迁移率高、环保无毒等优势而尤其受到关注。本文针对ZnO基有机无机杂化太阳能电池的研究热点，首先研究了生长条件对ZnO纳米结构尺寸和密度的影响，并重点研究了不同ZnO纳米结构尺寸、ZnO表面修饰处理、退火、氧等离子体处理、空气中陈化等对ZnO基有机无机杂化太阳能电池器件的效率影响，发现退火、氧等离子体处理、对ZnO进行PSBTBT表面修饰、对器件进行空气中陈化，对提高电池的效率均起到了一定的作用。具体研究工作如下:
　　1.采用水热方法，以涂有ZnO纳米晶籽晶层的ITO作为衬底，制备ZnO纳米棒，研究了不同浓度的反应液在不同时间下水热生长的ZnO的具体形貌、尺寸，密度。以此为基础制备了ITO/ZnO/P3HT/Ag有机无机结杂化太阳能电池，通过比较电池的效率，获得了最佳ZnO纳米棒的尺寸和密度;
　　2.制备了体异质结杂化电池，电池结构是ITO/ZnO/P3HT/Ag。通过对ZnO表面分别进行退火处理，等离子处理，发现ZnO在400℃下处理1h，器件效果最佳。
　　3.制备了结构为ITO/ZnO/P3HT∶PCBM/Ag的杂化电池，通过改变活性层的退火温度和时间，对ZnO表面进行PSBTBT修饰及在空气中陈化处理，发现不同处理条件下器件效率均有所提升。最佳的器件通过PSBTBT表面修饰和在空气中陈化处理效率达到2.02％，其中短路电流密度、开路电压、填充因子分别是13.23mA.cm-2、0.547V、28％。通过表面修饰的器件效率比未修饰的效率提高近7倍。
　　4.以P3HT为电子施体，PCBM为电子受体制备了活性层厚度不同的结构为ITO/P3HT∶PCBM/Al的有机太阳能电池，通过测得的Jsc-V特性曲线，发现活性层厚度对器件效率有一定的影响。为了优化有机电池结构，添加空穴缓冲层PEDOT∶PSS，空穴阻挡层TiO2，发现空穴缓冲层的添加确实使器件效率提升了53.9％，而TiO2却没有达到预想的结果。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 新型电池简介

1．2 有机无机杂化太阳能电池的工作原理

1．3 太阳能电池的结构

1．3．1 双层异质结型

1．3．2 无序本体异质结型

1．3．3 有序本体异质结型

1．4 有机无机杂化电池的性能表征

1．4．1 能量转换效率

1．4．2 短路电流密度

1．4．3 填充因子

1．4．4 开路电压

第二章 ZnO纳米棒的制备与表征

2．1 前言

2．2 实验部分

2．3 结果与讨论

2．3．1 ZnO形貌与结构的研究

2．3．2 ZnO的表面修饰

2．4 结论

第三章 ZnO基杂化电池的制备及表征

3．1 前言

3．2 ZnO／P3HT杂化电池的制备及性能表征

3．2．1 ZnO／P3HT杂化电池的制备

3．2．2 ZnO纳米棒的处理对器件性能的影响

3．2．2 浸泡薄膜对器件性能的影响

3．3 ZnO／P3HT：PCBM器件制备及性能表征

3．3．1 ZnO／P3HT：PCBM器件制备

3．3．2 活性层对器件性能的影响

3．3．3 不同籽晶层对器件性能的影响

3．3．4 PSBTBT层对器件性能的影响

3．3．5 空气中放置时间对器件性能的影响

3．4 结论

第四章 P3HT／PCBM基有机太阳能电池制备

4．1 前言

4．2 实验过程

4．3 实验结果及分析

4．3．1 活性层厚度对器件性能的影响

4．3．2 添加空穴缓冲层和阻挡层对性能影响

4．4 结论

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的研究成果

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