ZnO基核壳结构纳米柱作为电子传输层的聚合物太阳能电池研究

发布时间：2020-03-21 14:46

【摘要】：有机太阳能电池,尤其是聚合物太阳能电池(Polymer solar cell,PSC)由于其重量轻、生产成本低廉、可制作于柔性衬底等诸多优点,近年来得到人们的格外关注。倒置结构的聚合物太阳能电池(Inverted polymer solar cell,IPSC)以其较高的光电转换效率和稳定性在有机光伏领域得到深入的研究和广泛的应用。直接带隙半导体ZnO在可见光区域有良好光透过率、具有较高的电子迁移率并且可采用溶液法大面积均匀成膜,因此常被作为IPSC的电子传输层(Electron transporting layer,ETL)。将ZnO一维纳米柱阵列(Zn O nanorod array,ZnO-NRA)作为ETL,可增加电子传输层和有源层的接触面积且纳米柱之间可容纳更厚的光吸收材料,为电子提供了有效的传输途径并增强了光吸收,有利于IPSC器件性能的提高。但目前广泛使用的化学水浴法低温制备的ZnO-NRA ETL的结晶质量较差,其表面形貌难以控制,纳米柱阵列内部存在的大量缺陷导致电子在传输过程中存在较高的复合率。针对以上问题,本论设计并制备了以氧化锌纳米柱/铯掺杂氧化锌纳米柱(cesium doped zinc oxide nanorod array,CZO-NRA)核壳结构作为电子传输层的倒置结构聚合物太阳能电池。与ZnO-NRA相比,作为壳材料的CZO-NRA具有更良好的结晶质量和导电性,为电子提供了良好的传输通道;此外,研究表明适量的铯掺杂可降低ZnO-NRA的功函数,使ITO、ZnO-NRA、CZO-NRA及有源层的LUMO能级形成阶梯状能量势垒,更有利于电子的抽取。论文首先探究了纳米柱作为电子传输层基本生长工艺,包括Zn O-NRA最佳生长浓度以及金属掺杂工艺的探究。采用溶胶凝胶法制备氧化锌种子层,然后通过化学水浴法制备铯掺杂氧化锌纳米柱作为电子传输层,制备了器件结构为ITO/CZO-NRA/P3HT:PC_(61)BM/MoO_3/Ag的IPSC器件,当纳米柱生长溶液的浓度达到0.25M/L,且铯掺杂浓度达到0.75mM时,器件效率达到极大值1.79%,比未掺杂器件提高43.2%。然后,为了进一步提高器件的性能,我们采用二次水浴生长法制备了ZnO-NRA/CZO-NRA核壳结构,并以其作为ETL制备了器件结构为ITO/ZnO-NRA/CZO-NRA/P3HT:PC_(61)BM/MoO_3/Ag的IPSC器件。Kelvin探针测试结果表明,0.75mM CZO-NRA的功函数比未掺杂ZnO-NRA降低了0.3eV,所制备器件的能量转换效率达到了2.57%,比采用单次生长的0.75mM CZO-NRA作为电子传输层的IPSC器件提高了43.6%。本论文采用ZnO-NRA/CZO-NRA核壳结构纳米柱阵列作为倒置聚合物太阳能电池的电子传输层,改善了电子传输层与有源层的界面接触,降低了阴极与有源层之间的势垒,提高了器件的性能。该结构为纳米结构在聚合物太阳能电池领域的应用提供一个新的思路,具有良好的应用前景。
【图文】：

阳极 双层异质结器件 （a）结构示意图，（b）激子产生与体异质结结构质结太阳能电池器件给受体空间分布示意图如图 1.3 所料和受体材料呈立体空间互穿网络置于两电极之间。激大约为 5~20nm，但活性层的厚度一般大于 100nm，过部分光透过器件损失掉，降低了器件对太阳光的利用率致激子未解离成自由载流子便重新复合，对于本体异质充分混合分布在整个活性层的结构特点就有效的解决了在整个活性层，相比较于双层异质结器件电荷分离仅限空间，激子解离为自由电荷的概率得到大大的提高。

第一章 绪论1995 年 Heeger 课题组基于有机共混材料 MEH-PPV:PC61BM 本体异质结器件的 PCE 达到 2.9%[16]。所以当今对基于本体异质结构聚合物太阳能电池掀起一阵科研热潮。根据有机太阳能电池根据金属电极功函数的不同，，可详细划分为倒置结构和正置结构，图 1.4 聚合物太阳能电池为器件结构示意图。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4

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本文编号：2593491