基于氧化物基底的新型光伏材料及器件稳定性研究
发布时间：2021-11-02 12:03
全球对能源需求的不断增加,化石能源的持续减少以及长期使用带来的环境问题让人类陷入了能源危机,迫使政界、学术界和工业界转向投资和开发可持续替代能源。用之不竭的太阳能是目前能预见到的解决能源危机的希望之一。虽然目前传统的硅基电池在太阳能光伏电池市场上占据统治地位,但它高昂的制造成本使得科学家们开始寻找新的更优的材料和器件设计。近些年新兴的新型太阳电池领域主要有钙钛矿太阳电池（PSCs）、有机太阳电池（OPVs）、染料敏化太阳电池（DSSCs）、量子点太阳电池（QDSSCs）等。这些电池普遍具有低成本、易制备以及可以制成柔性器件等特点,相较于晶硅电池和铜铟镓硒（CIGS）薄膜电池等具有一定的优势。随着技术的不断进步,这些新兴器件的效率也得到了迅速的提升。例如量子点敏化电池现在已经突破了13%的转化效率,而更让人欣喜的是,钙钛矿电池在实验室条件下的效率已经达到22.1%,成为了太阳电池领域当今最耀眼的明星,并且有可能引领整个产业界的新方向。特别是在氧化物衬底（ZnO、TiO2、SnO2和NixO等）结构和材料的发展的促进下,新型...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：142 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
美国可再生能源国家实验室（NREL）公布的各年度各类电池效率最优效率表
上海交通大学博士学位论文 第一章 绪论料等。纵观 OPVs 器件的发展历史，器件的进步与光吸收材料的设计和加工方面的突破密不可分。OPV 电池的光伏过程与无机材料电池光伏过程极不相同。在无机材料中，吸收超过禁带宽度能量的光子后，激发的电子空穴对会在p-n结处产生的电场中发生分离，并分别传导到各自电极。而典型的有机光伏材料的介电常数通常比较低，使得电子空穴对之间库仑力不容易被破坏。这就导致了在光吸收层上产生的是激子或者以库仑力结合的电子空穴对，而不是自由电荷载流子。为了使这些激子能够在外电路中循环，他们就需要首先分离成可移动的自由载流子。如果激子在激子寿命期间不能够被分离，激子就会衰退回基态，以热能或者光能的形式消耗掉。在 OPVs 中，激子的分离依赖于双组份系统的存在，双组份系统包括与 p-n 结相类似的电子给体和电子受体两种组份。电子给体通常具有较大的电离势，而电子受体具有较高的电子亲和力。
包括了铜钛菁（给体 D）和苝四羧酸衍生物（受体 A）两种材料。在这种情况下，由于两种材料本质上电子亲和能和离子电势的不同，激发的电子空穴对在两种材料所构成的异质结（界面）处能够发生了分离。引入双组份激发层后，破纪录的将转化效率提升到了 1%。这个工作为其他给体/受体结构的 OPV 电池结构打下了基础。目前来说，主要的研究工作集中在对 OPV 电池结构的优化、给体/受体材料的选择，以及给体受体材料组合成的激发层形貌的调控。OPV 电池结构中，经典的块体异质结结构（BHJ）电池是将电子给体/受体所组成的激发层和正、负极材料制备成三明治结构，光激发产生的电子和空穴会分别传输到正极和负极中与外电路形成环路。目前，主流的三种 OPV 电池结构包括了 BHJ 和其衍生结构（如图 1-3 所示），每种结构对于 OPV 电池领域走向市场都有持续的研究意义。正结构拥有易制备、研究成熟等特性；倒结构具有更高的稳定性并且容易制备成柔性电池；而叠层结构的电池具有更高的效率（达到 12%）。在结构的基础之上，对各层材料的开发和优化对于实现经济有效的 OPV 电池显得更具有意义。
本文编号：3471947
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：142 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
美国可再生能源国家实验室（NREL）公布的各年度各类电池效率最优效率表
上海交通大学博士学位论文 第一章 绪论料等。纵观 OPVs 器件的发展历史，器件的进步与光吸收材料的设计和加工方面的突破密不可分。OPV 电池的光伏过程与无机材料电池光伏过程极不相同。在无机材料中，吸收超过禁带宽度能量的光子后，激发的电子空穴对会在p-n结处产生的电场中发生分离，并分别传导到各自电极。而典型的有机光伏材料的介电常数通常比较低，使得电子空穴对之间库仑力不容易被破坏。这就导致了在光吸收层上产生的是激子或者以库仑力结合的电子空穴对，而不是自由电荷载流子。为了使这些激子能够在外电路中循环，他们就需要首先分离成可移动的自由载流子。如果激子在激子寿命期间不能够被分离，激子就会衰退回基态，以热能或者光能的形式消耗掉。在 OPVs 中，激子的分离依赖于双组份系统的存在，双组份系统包括与 p-n 结相类似的电子给体和电子受体两种组份。电子给体通常具有较大的电离势，而电子受体具有较高的电子亲和力。
包括了铜钛菁（给体 D）和苝四羧酸衍生物（受体 A）两种材料。在这种情况下，由于两种材料本质上电子亲和能和离子电势的不同，激发的电子空穴对在两种材料所构成的异质结（界面）处能够发生了分离。引入双组份激发层后，破纪录的将转化效率提升到了 1%。这个工作为其他给体/受体结构的 OPV 电池结构打下了基础。目前来说，主要的研究工作集中在对 OPV 电池结构的优化、给体/受体材料的选择，以及给体受体材料组合成的激发层形貌的调控。OPV 电池结构中，经典的块体异质结结构（BHJ）电池是将电子给体/受体所组成的激发层和正、负极材料制备成三明治结构，光激发产生的电子和空穴会分别传输到正极和负极中与外电路形成环路。目前，主流的三种 OPV 电池结构包括了 BHJ 和其衍生结构（如图 1-3 所示），每种结构对于 OPV 电池领域走向市场都有持续的研究意义。正结构拥有易制备、研究成熟等特性；倒结构具有更高的稳定性并且容易制备成柔性电池；而叠层结构的电池具有更高的效率（达到 12%）。在结构的基础之上，对各层材料的开发和优化对于实现经济有效的 OPV 电池显得更具有意义。
本文编号：3471947
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