无机半导体纳米晶材料及其薄膜光伏器件研究

发布时间：2020-05-15 15:27

【摘要】：为了制备出价格低廉且高效的太阳能电池,全球的研究者们正致力于采用低成本技术,多渠道地开发新型活性材料。近年来,研究重点主要集中在各种高效、低成本的半导体薄膜光伏材料及器件技术方面。其中,有机和钙钛矿为代表的薄膜电池技术近年来发展尤为迅速。目前单节有机太阳能电池效率已经超过14%。有机-无机钙钛矿电池效率更是在短短几年时间内效率已经突破了22%。然而,他们仍然面临诸如活性层结晶和形貌控制困难、器件效率不够高、稳定性不足以及环境毒性等不同的问题。因此,开发制备价格低廉且高效、稳定和环境友好的新型薄膜太阳电池材料和器件技术具有重要意义。在过去十年中,半导体量子点(QDs)或纳米晶体(NCs)材料的光伏应用已受到广泛的关注和研究。利用这类无机半导体纳米材料的优点是,基于量子限域效应带来的尺寸可调、能带可控等性质,量子点良好的自组装成膜特性有利于获得高质量的薄膜,以及更好的化学稳定性和更小的环境毒性等等。本论文的研究工作主要是研发制备不同的无机半导体纳米材料并探索其在薄膜光伏中的应用。主要内容可概括如下:在本论文的第一部分内容中,我们研究了纯无机的铯铅卤化物(CsPbX_3)钙钛矿量子点材料并测试其在薄膜光伏中的应用。通过高温和低温两种方法合成了高结晶性的CsPbX_3。在室温条件下,溶液法成功制备了基于CsPbX_3的无机-聚合物杂化太阳能电池。采用低温法,含短链配体的铯铅溴(CsPbBr_3)量子点的太阳能电池器件性能优于长链配体的CsPbBr_3的器件性能。最优器件获得了高达1.16%的效率,开路电压(V_(oc))为0.87 V,填充因子(FF)为56.2%,电流(J_(sc))为2.38 mA/cm~2。我们的结果表明基于纯无机的钙钛矿量子点可以制备出在空气环境中工作的电池器件;采用短链配体低温合成,可避免量子点薄膜繁琐的配体处理问题并提高量子点薄膜导电能力和器件效率。此外,我们研究了非铅、低环境毒性的银铋硫(AgBiS_2)量子点(QDs)的合成及其在薄膜太阳能电池中的应用。结合合适的配体处理,采用醋酸甲酯纯化步骤可以得到稳定的QDs溶液及其高质量薄膜。AgBiS_2用作活性吸光层,基于ITO/ZnO/AgBiS_2/polymer/MoO_3/Ag结构的杂化太阳能电池优化后实现了~3%的器件效率。这表明AgBiS_2量子点材料作为活性层在光伏应用中具有潜力。此外,AgBiS_2量子点作为阴极界面层,应用于ITO/AZO/AgBiS_2/PCE10:PC_(71)BM/MoO_3/Al结构电池中,获得的最高效率为5.56%。氧化锌纳米晶(ZnO)是应用广泛的n型界面材料之一,具有诸如易合成、合适的能级和光电性能等优点。但是,ZnO表面存在的缺陷会引起严重电荷复合,使得器件性能较差。可以通过对其进行掺杂修饰提高器件性能。在室温条件下,合成了以丙胺为稳定剂的镓掺杂氧化锌纳米晶(GZO)界面材料。以100°C对GZO界面层进行热退火,基于PBDB-T:IT-M活性层的反型电池获得了高达10%的效率。这一结果和文献报道值相当,表明对ZnO进行界面修饰可以减少复合,改善电子传输和收集效率,最终改善器件性能。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2;TM914.4

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