發(fā)布時間：2017-12-13 18:05

  本文關(guān)鍵詞：雜化界面層及其聚合物和無銦鈣鈦礦太陽能電池

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【摘要】：聚合物太陽能電池具有質(zhì)輕、價廉、易加工、可設(shè)計(jì)和可大面積柔性制備等優(yōu)點(diǎn),成為能源領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。據(jù)報(bào)道,現(xiàn)在單節(jié)有機(jī)太陽能電池的效率已經(jīng)超過了12%,雖然效率與無機(jī)硅太陽能電池有一段差距,但是其突出的優(yōu)點(diǎn)仍然促使人們在不斷地探索新的方法來提高有機(jī)太陽能電池的效率和穩(wěn)定性,所以聚合物太陽能電池還是非常有前景的。在本論文中,我們主要圍繞對傳輸層進(jìn)行改性,改善活性層與傳輸層的界面相容性,改善活性層與傳輸層之間的能級匹配進(jìn)行了研究,從而提高電荷的選擇性,減少載流子的復(fù)合和提高電子遷移率,以獲得穩(wěn)定高效的有機(jī)太陽能電池和無銦鈣鈦礦電池,主要包括以下幾部分:(1)采用溶液法制備的ZnO/PEG雜化材料作為電子傳輸層制備了穩(wěn)定有效的柔性反向太陽能電池。PEG可以有效地鈍化ZnO的表面缺陷,抑制界面處的載流子復(fù)合,降低Zn O的功函從而優(yōu)化Zn O和PCBM之間的能級匹配。同時,實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明PEG分子量也會影響PEG對ZnO的作用。較短PEG分子鏈(分子量為400)由于包含更少的氧孤對電子而不能充分地鈍化ZnO的表面缺陷,而過長的PEG分子鏈(分子量為20000)由于其不可忽略的絕緣性又會阻礙電子的傳輸。因此,基于合適分子量的PEG(分子量為6000)改性的ZnO電子傳輸層的柔性反向太陽能電池具有最佳的性能�；赯nO/PEG電子傳輸層的電池的穩(wěn)定性比基于ZnO的電池更好。另外,ZnO/PEG雜化材料都是采用低溫溶液法制備,這樣有利于用于大面積卷對卷印刷太陽能電池。(2)采用聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)來修飾還原氧化石墨烯(GO)得到RGO-PVP,并在其上面原位生長ZnO納米粒子作為電子傳輸層來提高電池的性能。由于PVP與RGO石墨烯片層間存在強(qiáng)的π-π作用力,有利于RGO的均一分散。同時,PVP還能作為穩(wěn)定劑以及作為石墨烯與ZnO中間的橋梁來控制ZnO在石墨烯上的原位生長。ZnO納米粒子在導(dǎo)電RGO-PVP上均勻生長形成表面缺陷更少的納米團(tuán)簇。RGO-PVP的加入使得器件能級更匹配。ZnO@RGO-PVP作為電子傳輸層能有效地減少載流子的復(fù)合,提高導(dǎo)電性和電子抽取率�；赑TB7:PC71BM為活性層和ZnO@RGO-PVP為電子傳輸層的反向電池的效率提高至7.5%,穩(wěn)定性更好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示ZnO@RGO-PVP能適用于多種活性層,具有普適性。(3)合成兩親性的富勒烯衍生物C60-PEG來修飾原位生長于RGO-PVP上的ZnO納米陣列(ZnO ANs@RGO)。二維結(jié)構(gòu)的石墨烯能為一維結(jié)構(gòu)的ZnO納米陣列提供一個導(dǎo)電的穩(wěn)定生長的支撐,ZnO@RGO-PVP具有更少的表面缺陷。兩親性的C60-PEG能提高無機(jī)的ZnO ANs@RGO和有機(jī)活性層之間的相容性。同時,C60-PEG還對ZnO ANs@RGO具有表面修飾作用,減少表面缺陷,降低功函。與ZnO納米陣列相比,ZnO ANs@RGO可以有效地減少載流子復(fù)合,提高電子遷移率。C60-PEG修飾的ZnO ANs@RGO能減少載流子的復(fù)合,提高導(dǎo)電性和電子抽取率�；赑TB7:PC71BM活性層,采用C60-PEG/ZnO ANs@RGO作為電子傳輸層的器件能提高至8.1%。(4)將C60-PEG單獨(dú)作為電子傳輸層或者作為自組裝單分子層來修飾ZnO表面應(yīng)用于反向太陽能電池中。同時,將C60-PEG和ZnO制備成雜化材料作為電子傳輸層來提高電池的性能,其中一種富勒烯衍生物/ZnO雜化材料通過將C60-PEG和ZnO納米粒子物理共混制備而成(ZnO/C60-PEG),另外一種則通過在C60-PEG中低溫原位生長制備而成(ZnO@C60-PEG)。C60-PEG能調(diào)節(jié)能級匹配,提高活性層和界面?zhèn)鬏攲又g的相容性。另外,對于兩種雜化材料,C60-PEG不僅能作為一個表面活性劑,還能產(chǎn)生一個n型摻雜的作用。同時,C60-PEG上的親水性PEG側(cè)鏈還能提高ZnO的分散性,鈍化ZnO的表面缺陷。在原位生長制備的ZnO@C60-PEG中,C60-PEG能為ZnO的生長提供一個模板,從而形成缺陷少的均勻薄膜。C60-PEG的n型摻雜作用使得ZnO的導(dǎo)帶降低,有利于減少載流子復(fù)合,提高電子的抽取和傳輸。相比于物理共混法制備的ZnO/C60-PEG,原位生長制備的ZnO@C60-PEG呈現(xiàn)均勻的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),具有更佳的形貌和更高的電子遷移率。當(dāng)采用C60-PEG單獨(dú)作為電子傳輸層時,基于PTB7:PC71BM活性層的反向電池得到6.6%的光電轉(zhuǎn)化效率,這與基于ZnO的電池的效率相當(dāng)。而當(dāng)采用C60-PEG作為自組裝單分子層來修飾ZnO時,電池效率能提高至7.4%,并且電池的穩(wěn)定性也提高了�；赯nO/C60-PEG電子傳輸層的反向電池最高效率達(dá)到7.5%,而基于ZnO@C60-PEG電子傳輸層的反向電池的最高效率達(dá)到8.0%。值得注意的是,C60-PEG能在常溫下采用溶液法制備,這為用于大面積印刷太陽能電池提供了可能性。(5)采用原位法在金(Au)納米粒子修飾的羧基化碳納米管(CNT)中生長ZnO納米粒子得到雜化材料ZnO@CNT-Au,將其作為電子傳輸層來提高聚合物太陽能電池的性能。在雜化材料ZnO@CNT-Au中,羧基化的CNT能為ZnO的生長提供一個模板,形成缺陷少,導(dǎo)電性好的均勻薄膜。Au納米粒子的加入可以引入表面等離子體共振效應(yīng),提高光吸收。與純ZnO相比,ZnO@CNT-Au可以增加光生載流子,減少載流子復(fù)合,促進(jìn)電子收集。因此,基于PTB7:PC71BM為活性層,ZnO@CNT-Au為電子傳輸層的反向聚合物太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率提高至7.9%。(6)研究對比基于SnOx電子傳輸層上的鈣鈦礦太陽能電池。采用ALD制備ozone-SnOx、plasma-SnOx和H2O-SnOx�；趏zone-SnOx電子傳輸層的正向平面鈣鈦礦太陽能電池效率能達(dá)到15.3%,其中開路電壓高達(dá)1.17 V。光電子能譜證實(shí)在SnOx電子傳輸層和鈣鈦礦層之間形成了Pb I2界面層。對于不同的SnOx電子傳輸層,界面偶極不同,導(dǎo)致MAPb I3和Pb I2界面層之間的電荷抽取勢壘不同�；贖2O-SnOx的器件中的電荷抽取勢壘最大,在基于ozone-SnOx的器件中最小。因此,基于SnOx/Ag/SnOx上制備了透明電極,其中,SnOx不僅能作為電子傳輸層,還能作為阻隔層保護(hù)超薄的銀層,有效地抵擋來自于鈣鈦礦的腐蝕�；谶@種透明電極上的鈣鈦礦太陽能電池能達(dá)到11%的光電轉(zhuǎn)換效率。采用較低制備溫度(100°C)的SnOx/Ag/SnOx透明電極比采用高溫制備的ITO電極更有優(yōu)勢。
【學(xué)位授予單位】：南昌大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TM914.4
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本文編號：1286060