纳米晶形貌可控合成及聚合物复合太阳能电池研究

【摘要】：纳米晶赋予了材料在可见及近红外区域显著的光学吸收,加上其空间三维结构开辟了纳米材料电子传递的捷径,成为在太阳能电池领域最具潜力的备选材料。然而,基于纳米晶的太阳能电池较低的光电转换效率,使之很难与传统硅基电池相媲美。开展形貌可控纳米晶的简易合成工艺并探索纳米晶在太阳能电池领域的应用意义重大。 本文基于简单的溶剂注射法,开展了窄带隙纳米晶的形貌可控合成工艺研究。以PbSe纳米晶为研究对象,在惰性气体保护下,探讨了不同反应体系下PbSe纳米晶的形状演变过程及机理。考察了表面活性剂种类和浓度、反应时间等参数对PbSe纳米晶形貌变化的影响。基于微流反应制备的CdSe和PbSe纳米晶,设计了反向倒置结构纳米晶聚合物太阳能电池,获得了基于CdSe和PbSe纳米晶与聚合物复合的太阳能电池。最后考察了太阳能电池各制备工艺参数如活性层厚度、热处理工艺等对所制备太阳能电池光电转换效率的影响。论文主要获得以下的研究结果： (1) PbSe纳米晶的形状可控合成 开发了油酸单配体和十四烷基膦酸-三辛基氧化膦双配体的反应体系,并分别研究了配体的浓度对纳米晶尺寸与形貌的影响。采用油酸单配体时,所得PbSe纳米晶为面心立方结构,具有高度结晶性,在近红外区域具有较好的光学吸收性能。通过对反应时间的监测,实现了PbSe纳米晶从球形到花状团簇再到立方体的转变。反应体系中阴阳离子表面活性剂的浓度对PbSe纳米晶的形貌具有重要的影响。表面活性剂对形貌的影响是基于其对不同晶面的吸附作用来实现的,较高的浓度抑制吸附晶面的反应活性。采用TDPA和TOPO作为混合表面活性剂能得到结晶性能优异的PbSe纳米晶。随着TDPA浓度的变化,分别获得了链状、米粒状、三足状以及立方状的PbSe纳米晶。表面活性剂TDPA的选择性吸附,导致纳米晶各晶面的不同表面能,是引起形貌差异的主要原因。纳米晶的定向连接与附着是获得PbSe纳米链结构的主要机理。 (2)反向倒置结构纳米晶聚合物太阳能电池结构的设计 传统纳米晶聚合物太阳能电池的三明治结构(即：ITO/PEDOT:PSS/活性层/Al)中,PEDOT:PSS对透明导电玻璃ITO有强烈的腐蚀作用,在大气环境下特别是在潮湿的环境下PEDOT:PSS与ITO的界面不稳定,高温处理时,ITO透光率和导电能力降低。为解决这些问题,设计了反向倒置结构纳米晶聚合物太阳能电池,电池结构为FTO/TiO2/活性层/PEDOT:PSS/Ag。 (3) CdSe纳米晶聚合物太阳能电池的研究 基于微流反应系统的快速传质传热性能,实现了高质量球形CdSe纳米晶的快速合成(纳米晶的结晶性好,尺寸分布均匀,吸收峰的半峰半宽仅为19nm,在可见光区域具有较强吸收)。采用循环伏安法测定CdSe纳米晶的能级结构,发现其与吸收光谱计算的能级值十分接近。此外,对CdSe纳米晶的吡啶回流处理,实现了CdSe纳米晶的表面配体的置换。基于反向倒置结构的纳米晶聚合物复合太阳能电池,制备了P3HT/PCBM/CdSe的三体系的纳米晶聚合物太阳能电池,通过优化太阳能电池制备过程如复合光活性层的厚度(最优厚度为80nm),和热处理温度(最优热处理温度为150℃),所得CdSe纳米晶聚合物太阳能电池的光电转换效率最高达到3.05%。将电池置于大气环境中21天后,电池的光电转换效率减小了30%,其稳定性较纯有机电池而言有所改善。为纳米晶聚合物复合太阳能电池的大规模发展提供了可能。 (4) PbSe纳米晶聚合物太阳能电池研究 基于制备的高结晶性PbSe纳米晶,制备了P3HT/PbSe和P3HT/PbSe/PCBM两种体系的反向倒置结构的太阳能电池。通过对太阳能电池制备过程的优化,实现了基于P3HT/PbSe的太阳能电池,最高光电转换效率为0.19%。而基于三项体系的P3HT/PbSe/PCBM的太阳能电池,其光电转换效率为2.09%,较未添加PbSe纳米晶的太阳能电池略有提高。 【关键词】：PbSe 形貌 纳米晶 聚合物 复合太阳能电池
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TB383.1;TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目录9-12
• 第一章 绪论12-35
• 1.1 研究背景及课题来源12-13
• 1.2 纳米晶的基本概念13-14
• 1.3 纳米晶的应用14-21
• 1.3.1 纳米晶在发光二极管的应用14-16
• 1.3.2 纳米晶在红外探测器的应用16-17
• 1.3.3 纳米晶在生物医学的应用17-18
• 1.3.4 纳米晶在太阳能电池的应用18-21
• 1.4 纳米材料的分类21
• 1.5 纳米晶的制备21-27
• 1.5.1 零维纳米晶的制备22
• 1.5.2 多形状纳米晶的制备22-24
• 1.5.3 多形貌纳米晶的生长机理24-27
• 1.6 纳米晶聚合物太阳能电池研究进展27-32
• 1.6.1 纳米晶聚合物太阳能电池的原理和结构27-28
• 1.6.2 纳米晶的形状、种类、尺寸以及组分的研究28-30
• 1.6.3 纳米晶表面配体的研究30-31
• 1.6.4 纳米晶与聚合物界面电荷传输与分离的优化31-32
• 1.7 研究意义和研究内容32-35
• 第二章 材料的表征与性能测试35-45
• 2.1 前言35-36
• 2.2 实验药品与实验设备36-37
• 2.3 纳米颗粒的表征37-40
• 2.3.1 X射线衍射图谱(X Ray Diffraction Pattern)37-38
• 2.3.2 X射线能谱(Electron Diffraction Spectrum)38
• 2.3.3 场发射透射电子显微镜(Transmission Electron Microscopy)38-39
• 2.3.4 选区电子衍射(Selected Area Electron Diffraction)39
• 2.3.5 紫外-可见-近红外吸收光谱39
• 2.3.6 傅里叶变换红外光谱39-40
• 2.4 薄膜性能表征40
• 2.4.1 原子力显微镜(Atom Force Microscopy)40
• 2.4.2 台阶仪(Surface Profiler)40
• 2.5 太阳能电池性能的表征40-44
• 2.5.1 主要的光伏参数40-42
• 2.5.2 太阳能电池JV测试平台42-44
• 2.6 本章小结44-45
• 第三章 PbSe纳米晶形貌可控状合成45-62
• 3.1 前言45-46
• 3.2 基于油酸单配体PbSe纳米晶的合成46-55
• 3.2.1 实验过程46-47
• 3.2.2 反应时间对纳米晶形貌的影响47-52
• 3.2.3 PbSe纳米晶的光学性能52-53
• 3.2.4 油酸含量对纳米晶形貌的影响53-54
• 3.2.5 阴离子配体对纳米晶形貌的影响54-55
• 3.3 基于TOPO与TDPA双配位PbSe纳米晶的合成55-61
• 3.3.1 实验过程56
• 3.3.2 分离提纯过程56
• 3.3.3 反应前驱体浓度对纳米晶形貌的影响56-61
• 3.4 本章小结61-62
• 第四章 纳米晶聚合物太阳能电池结构设计62-67
• 4.1 前言62
• 4.2 传统结构电池的特点62-64
• 4.3 反向结构电池的特点64
• 4.4 太阳能电池的结构构建与制备64-66
• 4.5 本章小结66-67
• 第五章 CdSe纳米晶聚合物复合太阳能电池的制备67-84
• 5.1 前言67
• 5.2 实验过程67-69
• 5.2.1 CdSe球形纳米晶的制备67-68
• 5.2.2 聚合电池活性层溶液的制备68-69
• 5.3 结果与讨论69-83
• 5.3.1 纳米晶性能的表征69-70
• 5.3.2 纳米晶表面配体的改性70-71
• 5.3.3 纳米晶聚合物电池中各能级的标定71-76
• 5.3.4 活性层厚度的优化76-77
• 5.3.5 热处理工艺的优化77-79
• 5.3.6 CdSe纳米晶对光电性能的影响79-83
• 5.4 本章小结83-84
• 第六章 PbSe纳米晶聚合物太阳能电池的制备84-92
• 6.1 前言84
• 6.2 实验过程84-86
• 6.2.1 PbSe纳米晶的制备84-85
• 6.2.2 纳米晶表面配体的改性85
• 6.2.3 P3HT/PbSe聚合物电池的制备85-86
• 6.3 结果与讨论86-91
• 6.3.1 PbSe纳米晶的表征与配体改性86-88
• 6.3.2 P3HT/PbSe太阳能电池的光电性能88-89
• 6.3.3 P3HT/PbSe/PCBM太阳能电池的光电性能89-91
• 6.4 本章小结91-92
• 第七章 总结与展望92-95
• 7.1 全文总结92-93
• 7.2 本文工作创新之处93-94
• 7.3 展望94-95
• 参考文献95-108
• 致谢108-109
• 博士学位期间获得的成果109-110

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