【摘要】：有機太陽能電池,尤其是聚合物太陽能電池(Polymer solar cell,PSC)由于其重量輕、生產(chǎn)成本低廉、可制作于柔性襯底等諸多優(yōu)點,近年來得到人們的格外關(guān)注。倒置結(jié)構(gòu)的聚合物太陽能電池(Inverted polymer solar cell,IPSC)以其較高的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性在有機光伏領(lǐng)域得到深入的研究和廣泛的應(yīng)用。直接帶隙半導(dǎo)體ZnO在可見光區(qū)域有良好光透過率、具有較高的電子遷移率并且可采用溶液法大面積均勻成膜,因此常被作為IPSC的電子傳輸層(Electron transporting layer,ETL)。將ZnO一維納米柱陣列(Zn O nanorod array,ZnO-NRA)作為ETL,可增加電子傳輸層和有源層的接觸面積且納米柱之間可容納更厚的光吸收材料,為電子提供了有效的傳輸途徑并增強了光吸收,有利于IPSC器件性能的提高。但目前廣泛使用的化學(xué)水浴法低溫制備的ZnO-NRA ETL的結(jié)晶質(zhì)量較差,其表面形貌難以控制,納米柱陣列內(nèi)部存在的大量缺陷導(dǎo)致電子在傳輸過程中存在較高的復(fù)合率。針對以上問題,本論設(shè)計并制備了以氧化鋅納米柱/銫摻雜氧化鋅納米柱(cesium doped zinc oxide nanorod array,CZO-NRA)核殼結(jié)構(gòu)作為電子傳輸層的倒置結(jié)構(gòu)聚合物太陽能電池。與ZnO-NRA相比,作為殼材料的CZO-NRA具有更良好的結(jié)晶質(zhì)量和導(dǎo)電性,為電子提供了良好的傳輸通道;此外,研究表明適量的銫摻雜可降低ZnO-NRA的功函數(shù),使ITO、ZnO-NRA、CZO-NRA及有源層的LUMO能級形成階梯狀能量勢壘,更有利于電子的抽取。論文首先探究了納米柱作為電子傳輸層基本生長工藝,包括Zn O-NRA最佳生長濃度以及金屬摻雜工藝的探究。采用溶膠凝膠法制備氧化鋅種子層,然后通過化學(xué)水浴法制備銫摻雜氧化鋅納米柱作為電子傳輸層,制備了器件結(jié)構(gòu)為ITO/CZO-NRA/P3HT:PC_(61)BM/MoO_3/Ag的IPSC器件,當(dāng)納米柱生長溶液的濃度達(dá)到0.25M/L,且銫摻雜濃度達(dá)到0.75mM時,器件效率達(dá)到極大值1.79%,比未摻雜器件提高43.2%。然后,為了進(jìn)一步提高器件的性能,我們采用二次水浴生長法制備了ZnO-NRA/CZO-NRA核殼結(jié)構(gòu),并以其作為ETL制備了器件結(jié)構(gòu)為ITO/ZnO-NRA/CZO-NRA/P3HT:PC_(61)BM/MoO_3/Ag的IPSC器件。Kelvin探針測試結(jié)果表明,0.75mM CZO-NRA的功函數(shù)比未摻雜ZnO-NRA降低了0.3eV,所制備器件的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了2.57%,比采用單次生長的0.75mM CZO-NRA作為電子傳輸層的IPSC器件提高了43.6%。本論文采用ZnO-NRA/CZO-NRA核殼結(jié)構(gòu)納米柱陣列作為倒置聚合物太陽能電池的電子傳輸層,改善了電子傳輸層與有源層的界面接觸,降低了陰極與有源層之間的勢壘,提高了器件的性能。該結(jié)構(gòu)為納米結(jié)構(gòu)在聚合物太陽能電池領(lǐng)域的應(yīng)用提供一個新的思路,具有良好的應(yīng)用前景。
【圖文】：

陽極 雙層異質(zhì)結(jié)器件 （a）結(jié)構(gòu)示意圖，（b）激子產(chǎn)生與體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)質(zhì)結(jié)太陽能電池器件給受體空間分布示意圖如圖 1.3 所料和受體材料呈立體空間互穿網(wǎng)絡(luò)置于兩電極之間。激大約為 5~20nm，但活性層的厚度一般大于 100nm，過部分光透過器件損失掉，降低了器件對太陽光的利用率致激子未解離成自由載流子便重新復(fù)合，對于本體異質(zhì)充分混合分布在整個活性層的結(jié)構(gòu)特點就有效的解決了在整個活性層，相比較于雙層異質(zhì)結(jié)器件電荷分離僅限空間，激子解離為自由電荷的概率得到大大的提高。

第一章 緒論1995 年 Heeger 課題組基于有機共混材料 MEH-PPV:PC61BM 本體異質(zhì)結(jié)器件的 PCE 達(dá)到 2.9%[16]。所以當(dāng)今對基于本體異質(zhì)結(jié)構(gòu)聚合物太陽能電池掀起一陣科研熱潮。根據(jù)有機太陽能電池根據(jù)金屬電極功函數(shù)的不同，，可詳細(xì)劃分為倒置結(jié)構(gòu)和正置結(jié)構(gòu)，圖 1.4 聚合物太陽能電池為器件結(jié)構(gòu)示意圖。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM914.4

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