喷雾热解法制备ZnO薄膜及在聚合物太阳能电池中的应用

【摘要】：ZnO是一种性能优异的电子传输层(ETL)材料,能有效提高聚合物太阳能电池(PSC)器件的转换效率,同时也是最有希望实现卷对卷生产的ETL材料之一。喷雾热解技术具有低成本、大面积制备等优势,适合于ZnO薄膜的制备,但目前采用喷雾热解法(SP)制备ZnO薄膜用于有机光电器件的报道依然较少。本文研究了不同溶液体系下制备ZnO薄膜的工艺参数对ZnO薄膜性质的影响,及对PSC器件性能的影响规律。XRD结果表明以硝酸锌甲醇溶液作为前驱液,利用SP技术,在350-450℃下制备出了六角铅锌矿结构ZnO薄膜。通过SEM观察发现薄膜致密,晶粒尺寸均匀,晶界随衬底温度升高而变得更清晰;XRD和SEM测试结果表明,较高的衬底温度可以使薄膜获得更好的结晶性,当衬底温度超过450℃时薄膜沿着C轴取向生长;光谱测试结果显示所有样品在可见光波段的透光率达80%以上,且透光率随制备温度升高而升高;电学测试结果表明,制备的皆为高阻的ZnO薄膜。将ZnO薄膜用作PSC器件的ETL,测试结果表明ZnO薄膜的衬底温度在400℃左右时,其电子传输性能最好,器件的光电转换效率最高,达2.80%。针对普通SP制备ZnO薄膜衬底温度过高的问题,发展出了一种在120-250℃的低温下制备ZnO薄膜的方法。首先采用热重-差示扫描量热分析仪(TG-DSC)分析前驱体热力学性质,确定了制备薄膜的衬底温度。XRD结果表明制备的ZnO薄膜为六方铅锌矿结构,无晶面择优取向生长优势。随着衬底温度的升高,薄膜的晶粒和粗糙度增大。400-800nm波段平均透过率超过80%以上,无论是晶粒尺寸还是透光率都高于采用可溶性锌盐制备的ZnO薄膜。试验将低温制备的Zn O薄膜作为PSC器件的ETL,测试表明ZnO薄膜的衬底温度为200℃和厚度为50nm时,器件的光电转换效率最高,达3.05%。与可溶性锌盐作为前驱液制备的ZnO薄膜获得相同的效果,PSC器件性能却有很大提升,但衬底温度却大幅降低,可以用于制备柔性PSC器件。 【关键词】：ZnO薄膜 超声喷雾热解法 电子传输材料 聚合物太阳能电池
【学位授予单位】：重庆理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O484.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 ZnO简介10-11
• 1.2 ZnO薄膜制备方法介绍11-12
• 1.2.1 磁控溅射法(MS)11
• 1.2.2 金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)11-12
• 1.2.3 脉冲激光沉积法(PLD)12
• 1.2.4 分子束外延法(MBE)12
• 1.2.5 溶胶凝胶法(Sol-gel)12
• 1.2.6 喷雾热解法(SP)12
• 1.3 衬底温度在SP法制备Zn O薄膜过程中的重要性12-15
• 1.4 ZnO薄膜在聚合物太阳能电池(PSC)中的应用15-18
• 1.4.1 PSC简介15
• 1.4.2 体异质结PSC的结构与工作原理15-17
• 1.4.3 PSC的主要性能参数17
• 1.4.4 ZnO薄膜作为PSC器件ETL的性能17-18
• 1.5 本文主要研究工作18-20
• 2 SP法制备ZnO薄膜的基础及表征20-24
• 2.1 SP技术的设备与工作原理20-21
• 2.2 衬底温度对ZnO薄膜沉积过程的影响21-22
• 2.3 主要原料及相关仪器检测设备22-23
• 2.3.1 主要原料与设备22
• 2.3.2 Zn O薄膜的主要表征手段与设备22-23
• 2.4 本章小结23-24
• 3 基于可溶性锌盐溶液SP法制备ZnO薄膜研究24-38
• 3.1 基于Zn(NO3)2 溶液SP法制备Zn O薄膜工艺流程24-28
• 3.1.1 前驱液配置24
• 3.1.2 衬底清洗24-25
• 3.1.3 ZnO薄膜的制备25-28
• 3.2 衬底温度对ZnO薄膜的结构与形貌影响28-29
• 3.2.1 ZnO薄膜晶体结构28
• 3.2.2 ZnO薄膜的表面、断面形貌28-29
• 3.3 衬底温度对ZnO薄膜的性能影响29-31
• 3.3.1 ZnO薄膜光学性能29-30
• 3.3.2 ZnO薄膜电学性能30-31
• 3.4 其他制备工艺参数对制备ZnO薄膜的影响31-33
• 3.4.1 前驱液浓度的影响31-32
• 3.4.2 影响薄膜宏观形貌的因素32
• 3.4.3 衬底材质的影响32-33
• 3.4.4 ZnO薄膜的掺杂33
• 3.5 ZnO薄膜作为PSC器件ETL的性能33-37
• 3.5.1 ZnO ETL制备33
• 3.5.2 PSC器件制备33-35
• 3.5.3 PSC器件的性能测试35-37
• 3.6 本章小结37-38
• 4 低温超声喷雾热解法(LT-USP)制备Zn O薄膜及其对反型PSC器件性能的影响38-56
• 4.1 锌氨溶液的热稳定性研究38-39
• 4.2 LT-USP法制备ZnO薄膜的工艺39-42
• 4.2.1 前驱液的配制39-40
• 4.2.2 衬底的清洗40
• 4.2.3 Zn O薄膜的制备40-42
• 4.3 ZnO薄膜成分、结构、形貌和性能的表征42-49
• 4.3.1 成分分析42-44
• 4.3.2 结构分析44-45
• 4.3.3 表面和断面形貌分析45-48
• 4.3.4 Zn O薄膜光学性能分析48-49
• 4.4 基于LT-USP制备ZnO ETL的PSC器件49-55
• 4.4.1 Zn O ETL的制备49
• 4.4.2 PSC器件制备49-50
• 4.4.3 PSC器件的性能研究50-54
• 4.4.4 基于ZnO薄膜的大面积、柔性PSC器件初步研究54-55
• 4.5 本章小结55-56
• 5 总结与展望56-58
• 5.1 总结56-57
• 5.2 展望57-58
• 参考文献58-64
• 致谢64-66
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果66

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