杂化界面层及其聚合物和无铟钙钛矿太阳能电池

发布时间：2017-12-13 18:05

  本文关键词：杂化界面层及其聚合物和无铟钙钛矿太阳能电池

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【摘要】：聚合物太阳能电池具有质轻、价廉、易加工、可设计和可大面积柔性制备等优点,成为能源领域的研究焦点。据报道,现在单节有机太阳能电池的效率已经超过了12%,虽然效率与无机硅太阳能电池有一段差距,但是其突出的优点仍然促使人们在不断地探索新的方法来提高有机太阳能电池的效率和稳定性,所以聚合物太阳能电池还是非常有前景的。在本论文中,我们主要围绕对传输层进行改性,改善活性层与传输层的界面相容性,改善活性层与传输层之间的能级匹配进行了研究,从而提高电荷的选择性,减少载流子的复合和提高电子迁移率,以获得稳定高效的有机太阳能电池和无铟钙钛矿电池,主要包括以下几部分:(1)采用溶液法制备的ZnO/PEG杂化材料作为电子传输层制备了稳定有效的柔性反向太阳能电池。PEG可以有效地钝化ZnO的表面缺陷,抑制界面处的载流子复合,降低Zn O的功函从而优化Zn O和PCBM之间的能级匹配。同时,实验结果也表明PEG分子量也会影响PEG对ZnO的作用。较短PEG分子链(分子量为400)由于包含更少的氧孤对电子而不能充分地钝化ZnO的表面缺陷,而过长的PEG分子链(分子量为20000)由于其不可忽略的绝缘性又会阻碍电子的传输。因此,基于合适分子量的PEG(分子量为6000)改性的ZnO电子传输层的柔性反向太阳能电池具有最佳的性能。基于ZnO/PEG电子传输层的电池的稳定性比基于ZnO的电池更好。另外,ZnO/PEG杂化材料都是采用低温溶液法制备,这样有利于用于大面积卷对卷印刷太阳能电池。(2)采用聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)来修饰还原氧化石墨烯(GO)得到RGO-PVP,并在其上面原位生长ZnO纳米粒子作为电子传输层来提高电池的性能。由于PVP与RGO石墨烯片层间存在强的π-π作用力,有利于RGO的均一分散。同时,PVP还能作为稳定剂以及作为石墨烯与ZnO中间的桥梁来控制ZnO在石墨烯上的原位生长。ZnO纳米粒子在导电RGO-PVP上均匀生长形成表面缺陷更少的纳米团簇。RGO-PVP的加入使得器件能级更匹配。ZnO@RGO-PVP作为电子传输层能有效地减少载流子的复合,提高导电性和电子抽取率。基于PTB7:PC71BM为活性层和ZnO@RGO-PVP为电子传输层的反向电池的效率提高至7.5%,稳定性更好。实验结果显示ZnO@RGO-PVP能适用于多种活性层,具有普适性。(3)合成两亲性的富勒烯衍生物C60-PEG来修饰原位生长于RGO-PVP上的ZnO纳米阵列(ZnO ANs@RGO)。二维结构的石墨烯能为一维结构的ZnO纳米阵列提供一个导电的稳定生长的支撑,ZnO@RGO-PVP具有更少的表面缺陷。两亲性的C60-PEG能提高无机的ZnO ANs@RGO和有机活性层之间的相容性。同时,C60-PEG还对ZnO ANs@RGO具有表面修饰作用,减少表面缺陷,降低功函。与ZnO纳米阵列相比,ZnO ANs@RGO可以有效地减少载流子复合,提高电子迁移率。C60-PEG修饰的ZnO ANs@RGO能减少载流子的复合,提高导电性和电子抽取率。基于PTB7:PC71BM活性层,采用C60-PEG/ZnO ANs@RGO作为电子传输层的器件能提高至8.1%。(4)将C60-PEG单独作为电子传输层或者作为自组装单分子层来修饰ZnO表面应用于反向太阳能电池中。同时,将C60-PEG和ZnO制备成杂化材料作为电子传输层来提高电池的性能,其中一种富勒烯衍生物/ZnO杂化材料通过将C60-PEG和ZnO纳米粒子物理共混制备而成(ZnO/C60-PEG),另外一种则通过在C60-PEG中低温原位生长制备而成(ZnO@C60-PEG)。C60-PEG能调节能级匹配,提高活性层和界面传输层之间的相容性。另外,对于两种杂化材料,C60-PEG不仅能作为一个表面活性剂,还能产生一个n型掺杂的作用。同时,C60-PEG上的亲水性PEG侧链还能提高ZnO的分散性,钝化ZnO的表面缺陷。在原位生长制备的ZnO@C60-PEG中,C60-PEG能为ZnO的生长提供一个模板,从而形成缺陷少的均匀薄膜。C60-PEG的n型掺杂作用使得ZnO的导带降低,有利于减少载流子复合,提高电子的抽取和传输。相比于物理共混法制备的ZnO/C60-PEG,原位生长制备的ZnO@C60-PEG呈现均匀的网络结构,具有更佳的形貌和更高的电子迁移率。当采用C60-PEG单独作为电子传输层时,基于PTB7:PC71BM活性层的反向电池得到6.6%的光电转化效率,这与基于ZnO的电池的效率相当。而当采用C60-PEG作为自组装单分子层来修饰ZnO时,电池效率能提高至7.4%,并且电池的稳定性也提高了。基于ZnO/C60-PEG电子传输层的反向电池最高效率达到7.5%,而基于ZnO@C60-PEG电子传输层的反向电池的最高效率达到8.0%。值得注意的是,C60-PEG能在常温下采用溶液法制备,这为用于大面积印刷太阳能电池提供了可能性。(5)采用原位法在金(Au)纳米粒子修饰的羧基化碳纳米管(CNT)中生长ZnO纳米粒子得到杂化材料ZnO@CNT-Au,将其作为电子传输层来提高聚合物太阳能电池的性能。在杂化材料ZnO@CNT-Au中,羧基化的CNT能为ZnO的生长提供一个模板,形成缺陷少,导电性好的均匀薄膜。Au纳米粒子的加入可以引入表面等离子体共振效应,提高光吸收。与纯ZnO相比,ZnO@CNT-Au可以增加光生载流子,减少载流子复合,促进电子收集。因此,基于PTB7:PC71BM为活性层,ZnO@CNT-Au为电子传输层的反向聚合物太阳能电池光电转换效率提高至7.9%。(6)研究对比基于SnOx电子传输层上的钙钛矿太阳能电池。采用ALD制备ozone-SnOx、plasma-SnOx和H2O-SnOx。基于ozone-SnOx电子传输层的正向平面钙钛矿太阳能电池效率能达到15.3%,其中开路电压高达1.17 V。光电子能谱证实在SnOx电子传输层和钙钛矿层之间形成了Pb I2界面层。对于不同的SnOx电子传输层,界面偶极不同,导致MAPb I3和Pb I2界面层之间的电荷抽取势垒不同。基于H2O-SnOx的器件中的电荷抽取势垒最大,在基于ozone-SnOx的器件中最小。因此,基于SnOx/Ag/SnOx上制备了透明电极,其中,SnOx不仅能作为电子传输层,还能作为阻隔层保护超薄的银层,有效地抵挡来自于钙钛矿的腐蚀。基于这种透明电极上的钙钛矿太阳能电池能达到11%的光电转换效率。采用较低制备温度(100°C)的SnOx/Ag/SnOx透明电极比采用高温制备的ITO电极更有优势。
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM914.4
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本文编号：1286060