铯掺杂氧化锌作为电子传输层的聚合物太阳能电池研究

发布时间：2020-04-18 17:31

【摘要】：聚合物太阳能电池具有重量轻、成本低、可制作在柔性衬底上等优势,成为当今科研界的研究热点之一。为了更进一步提高聚合物太阳能电池的光电转换效率及其他性能,目前该领域的研究主要集中在合成新型窄带隙聚合物材料、改善各层之间的接触界面、设计新型器件结构等方面。其中,在有源层和电极之间引入载流子(电子/空穴)传输层,是改善两者接触界面质量、提高电极对载流子收集效率的有效方法。氧化锌具有稳定性好、透明度高、安全无毒等优点,已成为一种常用的聚合物太阳能电池电子传输层材料,但是目前采用低温方法如溶液旋涂法制备的氧化锌薄膜的成膜质量较差,内部及表面缺陷较多,容易形成载流子复合中心,影响电子的传输,从而降低器件的效率。为了解决此问题,论文首先研究了铯掺杂氧化锌(Cesium doped zinc oxide,CZO)薄膜作为电子传输层的聚合物太阳能电池,以改善无机氧化锌薄膜的质量,提高其导电能力,并采用乙醇胺进一步对CZO薄膜进行修饰,以改善与有源层的接触界面质量,从而提高太阳能电池器件的效率。为了增加有源层与电子传输层的接触面积,进一步提高器件的载流子传输,之后又研究了氧化锌纳米柱作为电子传输层的聚合物太阳能电池,氧化锌纳米柱作为电子的传输通道能够将有源层中产生的电子直接传输到阴极,减少载流子在有源层中的复合,同时可以增加有源层的厚度,增强器件对太阳光的吸收。论文采用铯掺杂氧化锌纳米柱提高了氧化锌纳米柱的结晶特性,同时采用乙醇胺界面修饰氧化锌纳米柱,将掺杂和界面修饰同时应用于该器件,最终显著提高了以氧化锌纳米柱为电子传输层的聚合物太阳能电池器件的性能。具体研究内容如下:1、采用溶胶-凝胶的方法制备了CZO薄膜,并将其作为聚合物太阳能电池的电子传输层,同时采用乙醇胺表面修饰的办法进一步改善无机电子传输层和有机有源层之间界面的接触质量。当掺杂浓度为0.005M时,CZO薄膜的电导率提高了一个数量级,所制备的结构为ITO/CZO/P3HT:PC61BM/Mo O3/Al的太阳能电池器件串联电阻降低,器件效率也从2.98%提高到3.48%。为了进一步改善无机电子传输层与有源层之间的接触质量,又引入了乙醇胺修饰CZO薄膜电子传输层,乙醇胺修饰后在氧化锌电子传输层上形成偶极层,使有源层和电子传输层形成更好的接触,减小了接触电阻,降低了载流子在界面的复合,促进了电子的传输,结果表明采用1%浓度的乙醇胺修饰0.005M铯掺杂的氧化锌电子传输层时,器件效率进一步提高到4.03%。2、采用化学水浴法制备了铯掺杂氧化锌纳米柱,并将其作为聚合物太阳能电池的电子传输层,制备了结构为ITO/CZO纳米柱/P3HT:PC61BM/Mo O3/Ag的太阳能电池器件。当采用铯掺杂浓度为0.75m M的氧化锌纳米柱作为电子传输层时,器件的效率提高了50%。为了进一步改善无机氧化锌纳米柱和有机有源层的接触质量,又在无机纳米柱和有源层之间加入了乙醇胺修饰层。实验结果表明,采用2%浓度的乙醇胺修饰0.75m M掺杂的氧化锌纳米柱,制作的聚合物太阳能电池器件效率提高到2.99%。本论文将铯掺杂和乙醇胺界面修饰相结合的方法分别应用在以氧化锌薄膜和氧化锌纳米柱为电子传输层的聚合物太阳能电池中,两种器件的效率都有了显著的提高,是未来制备高效率聚合物太阳能电池的有效方法,具有较好的应用前景。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM914.4

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